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強度等級新型近琢型中強、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TA24,該合金在艦船、石油、化工、機械、生物工程等領域具有廣泛應用[1-3]。該合金具有中等強度及良好的冷、熱加工工藝性能，可焊接性優良[4]。

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

1、試驗材料和方法

本試驗所使用的試驗材料為寶雞有色金屬加工廠生產的熱軋鈦合金板。鑄錠經β態開坯、多火次鍛造，最終在兩相區制備成150~240mm厚板坯，板坯為粗大的α+β兩相區加工組織，再經過β轉制成不同厚度的板材。β轉制溫度為P轉+30~100丈，為了比較變形量對組織性能的影響，軋制時兩相區變形選為30%~80%，軋后板材進行熱處理，熱處理溫度為880℃，2h，空冷。本次試驗選用厚板厚度δ=42mm;鍛件采用法蘭鍛件，具體化學成分見表1。

本實驗通過對板材及鍛件進行不同溫度、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性能進行對比分析，力學性能指標見表2。

機械拋光是制備所有鈦合金金相試樣的有效方法。本實驗采用酸性水溶液進行腐蝕。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行觀察[7]。

2、試驗結果與分析

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金相組織如圖1所示。交貨狀態為軋后板材進行熱處理，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變形組織，在進行880℃，2h，空冷的普通退火后，由于存在足夠的再結晶驅動力，整個組織形態基本為部分等軸α+長條狀α，組織細小均勻。

圖2所示為Ti-75合金交貨狀態再進行880℃，2h，空冷，普通退火后的金相組織。經過充分的再結晶后，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構變粗;少量存在的茁組織(暗）。

圖3所示為鈦合金板材交貨狀態再進行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，再結晶驅動力很大，形成了大量等軸塊狀琢組織(亮），軋制過程中形成的側片狀結構消失，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轉變組織。

2.2 熱軋鈦合金板材不同熱處理制度力學性能特征

對上述不同退火狀態的鈦合金板材進行力學性能測試，測試結果見表3。由圖5可以看出，經過長時間880℃退火，鈦合金強度有所降低。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，這導致了強度的整體下降。繼續提高回火溫度時，隨著回火溫度提高強度不斷提高，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，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

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

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

交貨態鈦合金鍛件在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轉變組織開始增多，形成了雙態組織。

交貨態鈦合金鍛件在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轉變組織開始大幅增多，并形成了片層狀β轉變組織。

交貨態鈦合金鍛件在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轉變組織。同樣將鈦合金在960℃保溫2h后進行爐冷的金相組織見圖12，在α區爐冷退火所形成的是粗片層β轉變組織。

繼續提高退火溫度，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，形成了非常細密的層片狀β轉變組織，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行硬度測試，測試結果如表4所示。

由圖14可以看出，交貨狀態鈦合金鍛件在相變點溫度以下進行退火空冷時，硬度隨著退火溫度變化不大，但由于經過較長時間退火，再結晶較充分，形成等軸α組織及β轉變組織，硬度有所提升；當在相變點以上進行退火時，形成的細密層片狀β轉變組織硬度較高; 爐冷形成的粗片層β轉變組織硬度較低。

綜上所述，鈦合金的硬度與組織的關系由高到低是：層片β轉變組織>雙態組織>等軸α組織。

3、結論

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

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

[參考文獻]

[1]那曉菲，王衛民，李雷.Ti-75合金的正交設計與強化機制[J].中國有色金屬學報，2010,20(B10):550-554.

[2]羅秀文.銑工工藝學[M].北京:科學普及出版社，1982.

[3]趙永慶，葛鵬.鈦及鈦合金金相[M].長沙:中南大學出版社，2011.

[4]李長亮，趙永慶，丁樺，等.Ti75合金起塑壓縮的力學行為及組織演變[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]//全國鈦及鈦合金學術交流會，2005.

[6]杜磊，劉茵琪，孟祥軍，等.Ti-75合金大規格環材的力學性能[C]//全國鈦及鈦合金學術交流會，2005.

[7]萊茵斯，皮特爾斯.鈦與鈦合金[M].北京：化學工業出版社，2005.