鳳偉中，王小翔，張耀斌

（寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

Ti80是我國(guó)自主研制的一種近α型鈦合金，其名義成分為T(mén)i-6Al-3Nb-2Zr-1Mo，對(duì)應(yīng)于國(guó)標(biāo)中TA31合金。該合金力學(xué)性能與國(guó)外的Ti-6Al-2Nb1Ta0.8Mo合金相當(dāng)，其主要特點(diǎn)是，具有高強(qiáng)度、高韌性、抗腐蝕性好以及焊接能優(yōu)良的特點(diǎn)，主要作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于航洋工程領(lǐng)域，尤其是在艦船、石油、化工等領(lǐng)域應(yīng)用較多。由于在一些特殊環(huán)境下，如艦船和潛艇在海水工況下長(zhǎng)期工作時(shí)，不但會(huì)受到海水中各種離子的腐蝕，而且要承受一定的強(qiáng)度和沖擊作用，尤其是大的沖擊載荷，因此在輸送、儲(chǔ)存具有腐蝕介質(zhì)的應(yīng)用方面，Ti80材料制備的管路系統(tǒng)和容器成為首選。

雙態(tài)組織是指，組織中α有兩種形態(tài)，一種是等軸狀的初生α，另一種是β轉(zhuǎn)變組織中的片狀α。與初生α相對(duì)應(yīng)，此片狀α也稱為次生片狀α。兩相鈦合金一般采用兩相區(qū)上部溫度變形，或者在兩相區(qū)變形后，再加熱到兩相區(qū)上部溫度后冷卻，即可得到雙態(tài)組織。

本文主要通過(guò)研究雙態(tài)組織狀態(tài)的鈦合金擠壓管材制備工藝、熱處理工藝和組織性能影響關(guān)系，采用兩相區(qū)上部溫度變形及高溫?zé)崽幚砉に嚶肪€，制備出抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、塑性、沖擊功和組織等，綜合性能滿足指標(biāo)要求的Ti80鈦合金管材。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

Ti80鈦合金錠坯是寶雞鈦業(yè)股份有限公司，經(jīng)三次真空自耗電弧爐熔煉制備的Φ810mm鑄錠，采用金相法測(cè)得α+β/β相變點(diǎn)為992℃，鑄錠的化學(xué)成分符合表1要求。

表1 Ti80鈦合金鑄錠化學(xué)成分

鑄錠經(jīng)3150t水壓機(jī)自由鍛壓機(jī)在相變點(diǎn)上經(jīng)過(guò)多次開(kāi)坯鍛造后，最終在兩相區(qū)精鍛，制成擠壓管材用棒坯。鍛造后的棒坯，加熱到相變點(diǎn)以下20℃～40℃溫度，在3150t臥式水壓機(jī)上擠壓出φ150×Lmm Ti80鈦合金管材。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

從擠壓制備的Ti80管材端頭，切取φ150×100mm管段試樣，進(jìn)行管段整體熱處理，試樣熱處理制度見(jiàn)表2，取樣示意圖見(jiàn)圖1。經(jīng)過(guò)熱處理后的管材，利用電火花線切割機(jī)，取金相、拉伸及沖擊功試樣。金相試驗(yàn)試樣大小為10×10×10mm方塊，采用配比HF∶HNO3∶H2O為1∶3∶10(體積比)腐蝕劑進(jìn)行腐蝕，然后在OLYM PU SPM G3金相顯微鏡上對(duì)管材縱橫向組織觀察分析。管材拉伸試樣加工成工作區(qū)直徑為5mm、長(zhǎng)度為50mm標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，在IN-ST RON 1185萬(wàn)能拉伸機(jī)上，按照GB/T228.1標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)行室溫拉伸性能檢測(cè)。管材的沖擊試樣加工成10×10×55mm規(guī)格，V型缺口為45°×2mm，利用N1500C沖擊試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T229標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行室溫沖擊性能檢測(cè)。

表2 Ti80鈦合金管材試樣的熱處理制度

圖1 Ti80管材取樣示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 熱處理溫度對(duì)顯微組織的影響

圖2為擠壓后管材及不同熱處理溫度退火后Ti80管材顯微組織。圖2中a和b分別是Ti80鈦合金熱擠壓管材熱處前縱橫向顯微組織照片，從圖中可以看出，擠壓后管材縱向顯微組織具有明顯的金屬流向，擠壓態(tài)管材組織主要以拉長(zhǎng)的α相為主，初生α相比例占60%以上，并存在少量次生α相析出。

圖2 Ti80鈦合金管材經(jīng)不同制度熱處理后的顯微組織

圖c～h為相變點(diǎn)下不同溫度熱處理后縱橫向顯微組織照片。

對(duì)比管材熱處理前后顯微組織可以發(fā)現(xiàn)，初生α相含量變化非常大，隨著退火溫度的升高，初生α相含量快速減少，次生α相含量增多。在950℃退火后，部分α相組織仍然呈現(xiàn)出一定的拉長(zhǎng)形態(tài)，而在970℃溫度熱處理后，其縱向拉長(zhǎng)的變形α相組織全部呈等軸狀，并且次生α相隨之增多變厚。在接近相變點(diǎn)溫度熱處理后，初生α相含量減少到5%以下，β轉(zhuǎn)變組織含量大幅增加，其顯微組織以不同取向的針狀α相、晶界α相及β轉(zhuǎn)變組織構(gòu)成，完整的β晶界逐漸清晰。因此，通過(guò)控制擠壓管材的熱處理溫度，可以達(dá)到調(diào)整管材雙態(tài)組織形貌的目的。

2.2 熱處理溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

Ti80鈦合金擠壓管材在不同熱處理工藝下的拉伸和室溫沖擊性能見(jiàn)圖3。由圖3可知，經(jīng)相變點(diǎn)以下高溫?zé)崽幚砗蟮拟伜辖鸸懿模S熱處理溫度的升高，抗拉強(qiáng)度基本變化不大，屈服強(qiáng)度隨溫度升高有所降低，塑性隨熱處理溫度增大先升高后降低。沖擊功在970℃以下溫度熱處理時(shí)，隨溫度升高沖擊功略微增大，當(dāng)超過(guò)該溫度靠近相變點(diǎn)熱處理后，沖擊功明顯降低，但還是維持63J的較高水平。

圖3 不同溫度熱處理后Ti80鈦合金拉伸性能和沖擊功

Ti80雙態(tài)組織擠壓管材的室溫力學(xué)性能，由等軸狀的初生α相與β轉(zhuǎn)變組織中的次生α相共同參決定，在相變點(diǎn)下高溫退火時(shí)，隨著熱處理溫度升高，管材再結(jié)晶組織狀態(tài)與次生α相組織此消彼長(zhǎng)，因此，在宏觀性能上表現(xiàn)出室溫強(qiáng)度隨熱處理溫度變化不大。塑性和沖擊功主要與組織類型和形貌有關(guān)，在拉伸變形過(guò)程中，等軸狀α相相對(duì)于片層狀α相參與滑移過(guò)程的α相多，且承受變形量大，致使金屬拉伸斷裂前變形量更大，因此在950℃熱處理后的組織狀態(tài)表現(xiàn)出更好塑性。990℃熱處理后的管材，相對(duì)其他溫度熱處理后的沖擊功較低，主要在于組織形態(tài)差異。相變點(diǎn)附近熱處理后管材的層片狀次生α相組織較薄，裂紋擴(kuò)展相對(duì)較容易，不能形成有效的阻礙作用，因此相對(duì)較低溫度熱處理后的雙態(tài)組織沖擊性能偏低。

3 結(jié)論

（1）隨著熱處理溫度升高，管材顯微組織由拉長(zhǎng)的變形組織過(guò)渡到雙態(tài)組織，當(dāng)退火溫度接近相變點(diǎn)時(shí)，呈現(xiàn)魏氏組織特征。

（2）Ti80鈦合金熱擠壓管材在相變點(diǎn)下20℃～40℃，退火時(shí)可以制備出滿足雙態(tài)組織要求的管材。

（3）Ti80鈦合金管材經(jīng)950℃/60min/AC方式熱處理后，力學(xué)性能和室溫沖擊功綜合性匹配較好。