Ti75鈦合金鍛件熱處理工藝對組織和性能的影響

引言

Ti75合金由西北有色金屬研究院、中船重工725所和寶雞有色金屬加工廠在“七五”、“八五”期間共同研制730MPa強(qiáng)度等級新型近琢型中強(qiáng)、高韌、耐蝕、可焊接合金船用鈦合金，名義成分Ti-3Al-2Mo-2Zr,國際牌號(hào)TA24,該合金在艦船、石油、化工、機(jī)械、生物工程等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1-3]。該合金具有中等強(qiáng)度及良好的冷、熱加工工藝性能，可焊接性優(yōu)良[4]。

本文對Ti75合金熱軋板材和鍛件不同熱處理狀態(tài)的組織和性能進(jìn)行研究，為使用單位提供技術(shù)資料。

1、試驗(yàn)材料和方法

本試驗(yàn)所使用的試驗(yàn)材料為寶雞有色金屬加工廠生產(chǎn)的熱軋鈦合金板。鑄錠經(jīng)β態(tài)開坯、多火次鍛造，最終在兩相區(qū)制備成150~240mm厚板坯，板坯為粗大的α+β兩相區(qū)加工組織，再經(jīng)過β轉(zhuǎn)制成不同厚度的板材。β轉(zhuǎn)制溫度為P轉(zhuǎn)+30~100丈，為了比較變形量對組織性能的影響，軋制時(shí)兩相區(qū)變形選為30%~80%，軋后板材進(jìn)行熱處理，熱處理溫度為880℃，2h，空冷。本次試驗(yàn)選用厚板厚度δ=42mm;鍛件采用法蘭鍛件，具體化學(xué)成分見表1。

本實(shí)驗(yàn)通過對板材及鍛件進(jìn)行不同溫度、不同冷卻方式處理，分析熱處理后的金相組織變化特征，并對熱處理后的力學(xué)性能進(jìn)行對比分析，力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

機(jī)械拋光是制備所有鈦合金金相試樣的有效方法。本實(shí)驗(yàn)采用酸性水溶液進(jìn)行腐蝕。100mL水+3mL的HF(濃度40%)和5mL的HN〇3(濃度65%)，采用金相顯微鏡對試樣進(jìn)行觀察[7]。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熱軋鈦合金板材不同熱處理制度金相組織特征熱軋鈦合金板交貨狀態(tài)金相組織如圖1所示。交貨狀態(tài)為軋后板材進(jìn)行熱處理，熱處理溫度為880℃，2h，空冷。金相白亮組織為琢組織，暗色組織為β組織。從圖1可以看出，由于β軋制的變形量較大，β晶界完全消失，形成了層片狀的加工態(tài)變形組織，在進(jìn)行880℃，2h，空冷的普通退火后，由于存在足夠的再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力，整個(gè)組織形態(tài)基本為部分等軸α+長條狀α，組織細(xì)小均勻。

圖2所示為Ti-75合金交貨狀態(tài)再進(jìn)行880℃，2h，空冷，普通退火后的金相組織。經(jīng)過充分的再結(jié)晶后，形成了大量等軸的塊狀琢α組織(亮），保留的軋制過程中形成的層片狀結(jié)構(gòu)變粗;少量存在的茁組織(暗）。

圖3所示為鈦合金板材交貨狀態(tài)再進(jìn)行920℃，2h，空冷，普通退火后的金相組織。可以明顯看出，由于退火溫度較高，接近相變溫度，再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力很大，形成了大量等軸塊狀琢組織(亮），軋制過程中形成的側(cè)片狀結(jié)構(gòu)消失，存在少量的β組織(暗)。圖4是將鈦合金板材在960℃保溫2h爐冷后的金相組織。由于超過了相變溫度，組織以等軸α組織+針狀茁β轉(zhuǎn)變組織。

2.2 熱軋鈦合金板材不同熱處理制度力學(xué)性能特征

對上述不同退火狀態(tài)的鈦合金板材進(jìn)行力學(xué)性能測試，測試結(jié)果見表3。由圖5可以看出，經(jīng)過長時(shí)間880℃退火，鈦合金強(qiáng)度有所降低。這主要是由于退火過程中開始形成了塊狀琢組織，但是該組織并沒有完全成為等軸α組織，這導(dǎo)致了強(qiáng)度的整體下降。繼續(xù)提高回火溫度時(shí)，隨著回火溫度提高強(qiáng)度不斷提高，塑韌性、沖擊性能有所降低，這主要是由于退火溫度接近相變點(diǎn)，甚至高溫相變溫度，保留了大量的茁組織。

2.3 鈦合金鍛件不同熱處理制度金相組織特征

鈦合金鍛件的生產(chǎn)過程是鑄錠經(jīng)β態(tài)開坯、多火次鍛造，再經(jīng)過普通退火處理，粗加工完成后即形成交貨狀態(tài)工件。圖7是交貨狀態(tài)的鈦合金鍛件金相組織，退火態(tài)組織為等軸琢組織(亮)+少量β組織(暗）。根據(jù)等軸琢組織的不同位向關(guān)系，可以清晰看到晶界。

交貨態(tài)鈦合金鍛件在880℃保溫2h空冷后的金相組織見圖8,金相組織較交貨態(tài)沒有發(fā)生大的變化，由于總退火時(shí)間延長，再結(jié)晶比較完全，形成的等軸琢組織同β轉(zhuǎn)變組織界面非常清晰，同時(shí)β轉(zhuǎn)變組織稍有增多。

交貨態(tài)鈦合金鍛件在900益保溫2h空冷后的金相組織見圖9，等軸初生琢組織聚集長大，開始粗化，鍛造流線基本消失，α轉(zhuǎn)變組織開始增多，形成了雙態(tài)組織。

交貨態(tài)鈦合金鍛件在940益保溫2h空冷后的金相組織見圖10,等軸初生琢組織開始減少，β轉(zhuǎn)變組織開始大幅增多，并形成了片層狀β轉(zhuǎn)變組織。

交貨態(tài)鈦合金鍛件在960℃保溫2h空冷后的金相組織見圖11，由于退火溫度超過了相變溫度，等軸初生α組織消失，形成了全片層β轉(zhuǎn)變組織。同樣將鈦合金在960℃保溫2h后進(jìn)行爐冷的金相組織見圖12，在α區(qū)爐冷退火所形成的是粗片層β轉(zhuǎn)變組織。

繼續(xù)提高退火溫度，將鈦合金鍛件在1020℃保溫2h空冷后形成的金相組織見圖13，由于退火溫度較高，形成了非常細(xì)密的層片狀β轉(zhuǎn)變組織，原始β晶界特別明顯，由于溫度較高形成了六面體型晶界。

2.4 鈦合金鍛件不同熱處理制度硬度特征

對不同熱處理制度的鈦合金進(jìn)行硬度測試，測試結(jié)果如表4所示。

由圖14可以看出，交貨狀態(tài)鈦合金鍛件在相變點(diǎn)溫度以下進(jìn)行退火空冷時(shí)，硬度隨著退火溫度變化不大，但由于經(jīng)過較長時(shí)間退火，再結(jié)晶較充分，形成等軸α組織及β轉(zhuǎn)變組織，硬度有所提升；當(dāng)在相變點(diǎn)以上進(jìn)行退火時(shí)，形成的細(xì)密層片狀β轉(zhuǎn)變組織硬度較高; 爐冷形成的粗片層β轉(zhuǎn)變組織硬度較低。

綜上所述，鈦合金的硬度與組織的關(guān)系由高到低是：層片β轉(zhuǎn)變組織>雙態(tài)組織>等軸α組織。

3、結(jié)論

1)Ti-75合金隨著退火溫度提高組織形態(tài)變化較大，在相變點(diǎn)以下退火形成等軸琢組織及β轉(zhuǎn)變組織;在相變點(diǎn)以上退火形成層片狀β轉(zhuǎn)變組織。

2)Ti-75合金板材隨著退火溫度的提高，強(qiáng)度明顯提高;鈦合金的硬度與組織的關(guān)系由高到低是:層片β轉(zhuǎn)變組織>雙態(tài)組織>等軸α組織。

[參考文獻(xiàn)]

[1]那曉菲，王衛(wèi)民，李雷.Ti-75合金的正交設(shè)計(jì)與強(qiáng)化機(jī)制[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2010,20(B10):550-554.

[2]羅秀文.銑工工藝學(xué)[M].北京:科學(xué)普及出版社，1982.

[3]趙永慶，葛鵬.鈦及鈦合金金相[M].長沙:中南大學(xué)出版社，2011.

[4]李長亮，趙永慶，丁樺，等.Ti75合金起塑壓縮的力學(xué)行為及組織演變[J].稀有金屬材料與工程，2002(6):476-479.

[5]王小翔，王韋琪，王儉，等.Ti-75合金茁軋制厚板的組織與性能[C]//全國鈦及鈦合金學(xué)術(shù)交流會(huì)，2005.

[6]杜磊，劉茵琪，孟祥軍，等.Ti-75合金大規(guī)格環(huán)材的力學(xué)性能[C]//全國鈦及鈦合金學(xué)術(shù)交流會(huì)，2005.

[7]萊茵斯，皮特爾斯.鈦與鈦合金[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.