軋后熱處理工藝對Gr.5鈦合金棒材斷口形貌及組織的影響研究

楊碧蕓，雷 楊，趙文婷

（西部鈦業有限責任公司，陜西 西安 710201）

Gr.5鈦合金（Ti-6Al-4V）是一種中等強度的α-β兩相型鈦合金，具有強度高、比強度高和良好的高溫蠕變性能等而廣泛的應用于我國高端產品中，如航空航天、海洋等領域[1，2]。Gr.5鈦合金具有較強的活性，焊接過程中需要真空進行保護。由于鈦合金材料具有穩定的性能，多數可熱處理強化的金屬材料之一。因此，可以通過固溶溫度時效處理的方式分析鈦合金材料的性能。在不同固溶溫度下進行樣材的拉伸試驗，可以有效的分析鈦合金斷口形貌特征，并分析鈦合金材料的塑性特征。基于此，本文以Gr.5鈦合金棒材為研究對象，分析其在扎后熱處理過程中對鈦合金棒材斷口形貌及組織的影響，為進一步改進鈦合金鍛造工藝奠定基礎。

1 試驗原材料及過程

本文試驗所用材料為Gr.5鈦合金鑄錠，高品級海綿鈦等，通過多次熔煉后制作成φ380mm的Gr.5鈦合金。在1000℃～1100℃下將Gr.5鈦合金鑄錠制備成φ170mm的Gr.5鈦合金棒材，在900℃～1000℃溫度下將Gr.5鈦合金棒材鍛造成φ48mm棒材，在850℃～950℃溫度下將Gr.5鈦合金棒材軋制成φ10mm棒材若干個。試驗過程中電爐為箱式電阻爐，將其分別置于840℃、810℃、780℃和750℃固溶溫度下，保溫0.5h后空冷處理。將保溫空冷處理后的樣材使用掃描電鏡觀察Gr.5鈦合金棒材的斷口形貌，分析鈦合金材料的塑性特征，為進一步研究該類鈦合金材料的顯微組織以及力學性能奠定基礎。

2 實驗結果與分析

2.1 斷口形貌特征

將φ10mmGr.5鈦合金棒材分別置于840℃、810℃、780℃和750℃固溶溫度下，保溫0.5h后空冷處理，通過掃描電鏡獲得不同固溶溫度下鈦合金棒材的斷口形貌特征。根據試驗可知，Gr.5鈦合金棒材的斷口主要分為兩個部分：即纖維區和剪切唇區，其中纖維區主要分布在Gr.5鈦合金棒材的中心部位，多呈橢圓形或者近圓形，斷口表面呈粗糙不平狀；剪切唇區主要分布在Gr.5鈦合金棒材的周圍邊部區域，斷口表面呈起伏狀，但在宏觀上呈光滑狀。隨著固溶溫度的逐漸升高，Gr.5鈦合金棒材中纖維區面積相對減少，當固溶溫度升高至840℃時，Gr.5鈦合金棒材中的纖維區逐漸消失，使得棒材的斷口更加平整，且斷口主要由光滑面和小韌窩構成。對試驗棒材進行拉伸試驗，結果顯示拉伸斷裂屬于韌窩—微孔聚集型斷裂，屬于奠定的塑性斷裂。因此，Gr.5鈦合金棒材的塑性斷裂可進一步劃分為纖維區、放射區和剪切唇三部分。但是，在Gr.5鈦合金棒材宏觀照片上僅可見纖維區和剪切唇區，并未見到放射區。根據前人研究成果認為，鈦合金棒材找那個纖維區面積較大的合金材料，鈦合金的塑性性能更好[3]。由此可知，隨著固溶溫度從750℃逐漸升高至840℃，Gr.5鈦合金棒材的塑性性能逐漸降低。

將樣材2在固溶溫度下進行拉伸試驗，對拉伸產生的斷口剪切形貌進行放大觀察，結果顯示，在固溶溫度低于810℃以下時，斷口的剪切唇一般由小韌窩構成，當Gr.5鈦合金棒材在固溶溫度更低的條件下，斷口的形貌差別不大。當樣材在固溶溫度810℃條件下時，斷口剪切唇由小韌窩構成，且韌窩的尺寸明顯增大，但是韌窩的數量卻減少；當固溶溫度升高至840℃時，斷口光滑面上不存在韌窩，但可見約40μm的β相晶粒出現。綜上所述，當固溶溫度在810℃以下時，不同試驗樣材之間的剪切唇具有較大差異，有的為光滑的，有的則由小韌窩構成，充分說明Gr.5鈦合金棒材是塑性材料。但是當溫度升高至840℃時，斷口光滑面未見韌窩，且斷口可見β相晶粒，說明Gr.5鈦合金棒材的塑性性能較差。

此外，將樣材3分別在固溶溫度840℃、810℃、780℃和750℃條件下處理的Gr.5鈦合金棒材保溫0.5h空冷后放大觀察，結果顯示，當固溶溫度不大于810℃，斷口中心位置由不規則狀的撕裂韌窩組成，且韌窩形狀差異較大，方向差異較大，并且隨著固溶溫度逐漸升高，韌窩尺寸逐漸增大，但韌窩數量逐漸降低；當固溶溫度持續升高至840℃，韌窩尺寸明顯增大，深度更淺。綜上所述，隨著固溶溫度的升高，樣材3中單位纖維區范圍內的韌窩數量減少，尺寸卻逐漸增大。根據前人對斷口韌窩的研究表明，斷口處韌窩小且淺，說明鈦合金塑性性能較差；若斷口處韌窩大且深，說明鈦合金塑性性能較好。因此，通過Gr.5鈦合金棒材實驗結果顯示，斷口處纖維區中韌窩小時，韌窩明顯深，當韌窩大時，韌窩明顯淺。這一變化與前人的認知相反。因此，僅依據纖維區形貌特征是無法判斷材料的塑性特征的。

2.2 斷口形貌特征與材料塑性的關系

根據上文對不同試驗樣材進行的固溶溫度拉伸試驗，根據斷口形貌分布規律等得出，隨著固溶溫度的逐漸升高，Gr.5鈦合金棒材的塑性性能呈下降趨勢。

但是根據前人對斷口纖維區形貌變化特征的認識，與本次試驗結果向左，因此僅靠纖維區形貌變化是無法判斷材料的塑性特征，還需借助材料的力學性能綜合判斷[4]。對Gr.5鈦合金棒材試驗樣材分別在840℃、810℃、780℃和750℃固溶溫度下保溫0.5h后空冷處理，試驗結果表明，隨著固溶溫度的逐漸升高，Gr.5鈦合金棒材的抗拉強度和屈服強度逐漸降低，當固溶溫度在810℃及以上時，Gr.5鈦合金棒材的抗拉強度與屈服強度明顯降低，且出現較低的屈服應力。

此外，在較低固溶溫度條件下，隨著固溶溫度的升高，Gr.5鈦合金棒材的生長率逐漸升高，塑性變化總體不大。當固溶溫度最高時，Gr.5鈦合金棒材的延伸率增大極為明顯，斷面收縮率也明顯增加。結合前人對斷口分析認知，本次試驗所得的拉伸斷口形貌特征與塑性變化規律的是矛盾的，結合本次獲得的合金的相變點溫度為820℃。一般來說在相變點以下升溫時，隨著固溶溫度的逐漸升高，鈦合金中可溶質元素的回溶現象越強烈，也就意味著顯微組織中出現β相的概率也就越大；若在相變點以上升溫時，可以導致回溶元素全部回溶，意味著Gr.5鈦合金棒材顯微組織全部轉變為β相。由于β相與α相存在明顯的晶體結構差異，前者以立方體晶型為主，而后者為六方形晶體結構。

根據晶體力學性能可知，立方體晶型存在較多的滑移面，即在受力過程中容易出現塑性滑動；而六方體型晶體不容易發生塑性滑動。綜上所述，隨著鈦合金材料中的β相的逐漸升高，鈦合金材料的塑性能力也逐漸升高。

3 結語

綜上所述，Gr.5鈦合金具有強度高、比強度高和良好的高溫蠕變性能等而廣泛的應用于我國高端產品中。在不同固溶溫度下，Gr.5鈦合金棒材的斷口形貌存在差異，在840℃固溶條件下，斷口處可見β相晶粒。

Gr.5鈦合金棒材斷口處纖維區中韌窩小時，韌窩明顯深，當韌窩大時，韌窩明顯淺。在相變點以下升溫時，隨著固溶溫度的逐漸升高，鈦合金中可溶質元素的回溶現象越強烈；在相變點以上升溫時，可以導致回溶元素全部回溶，顯微組織全部轉變為β相，隨著鈦合金材料中的β相的逐漸升高，鈦合金材料的塑性能力也逐漸升高。