Gr.5鈦合金軋制過程中的塑性變化研究

陳 肖

（西部鈦業有限責任公司，陜西 西安 710201）

Gr.5鈦合金是最早生產的鈦合金類型之一，屬于α+β型鈦合金，具有良好的綜合性能，被廣泛的應用于化工、電力、航空、航天、醫療等領域。鈦合金性能的制約因素較多，但鈦合金材料的塑性變化規律是評價一種鈦合金整體性能的一個重要指標[1，2]。基于此，本文以Gr.5鈦合金為研究對象，分析該鈦合金在軋制過程中塑性變化規律，為進一步研究該類鈦合金顯微組織以及力學性能、軋制工藝等提供參考。

1 試驗材料及過程

本次選用Gr.5鈦合金鑄錠，將其制成1.6mm厚的Gr.5鈦合金板材，進行退火狀態的拉伸性能試驗。根據試驗得出，Gr.5鈦合金的抗拉強度可達1110MPa，屈服強度為1050MPa，斷后伸長率為9.40%。為了分析Gr.5鈦合金在軋制過程中塑性變化規律，本文從Gr.5鈦合金板材的化學成分、顯微組織以及硬度等方面進行綜合分析。

2 不同參數變化特征

2.1 鈦合金化學成分分析

對進行試驗的Gr.5鈦合金樣材進行劃分成分檢測，結果顯示，Gr.5鈦合金中Al元素含量為6.33%，在標準值5.5%～6.75%范圍內；V元素含量為4.24%，介于標準值3.5%～4.5%范圍內；Fe元素含量為0.053%，小于標準值（≤0.40）；C含量為0.008，小于標準值（≤0.05）；N元素含量小于0.008（標準值≤0.05），H元素含量為0.017（標準值≤0.015），O元素含量為0.14（標準值≤0.20）。由化學分析結果顯示，除H元素超出標準值13.33%外其余元素均在標準值范圍內。

2.2 鈦合金顯微硬度特征

對Gr.5鈦合金樣材進行顯微硬度測試分析，對其進行載荷加載試驗，壓力為1.96N，加載時間為30s。在顯微硬度測試過程中沿著樣材厚度方向進行試驗，距離每0.11mm測讀一次數據，最終求得不同度數的平均值作為樣材最終的硬度值，為326HV。

2.3 金相分析

將打磨、拋光處理后的Gr.5鈦合金樣材在光學顯微鏡下觀察Gr.5鈦合金棒材的顯微組織變化特征。根據顯微組織照片可知，Gr.5鈦合金屬于α+β型鈦合金，顯微組織中未發現完整的β晶界上連續的網狀α，未能發現明顯粗大拉長的片狀α。根據顯微組織顯示，Gr.5鈦合金樣材的組織類型為等軸狀α相，總體上顯微組織未發現明顯的異常現象。

3 軋制過程中塑性變化特征

3.1 固溶溫度對塑性變化的影響

將Gr.5鈦合金樣材分別置于840℃、810℃、780℃和750℃固溶溫度下，保溫0.5h后空冷處理，借助鈦合金斷口形貌組織變化規律分析鈦合金樣材的塑性變化規律。隨著固溶溫度升高，斷口處纖維區面積相對減少，當固溶溫度升高至840℃時，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[3]。

當固溶溫度為810℃時，樣材的斷口剪切唇以小韌窩為主，且韌窩的尺寸較大，數量卻明顯減少；固溶溫度為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。因此，說明Gr.5鈦合金板材是塑性材料。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℃。此外，若固溶溫度在相變點溫度之下時，隨著固溶溫度的升高，鈦合金中的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相為立方體晶型，α相為六方形晶體結構，前者存在較多滑移面，容易出現塑性滑動。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。

3.2 綜合分析

根據上文Gr.5鈦合金樣材的化學成分分析結果顯示，Gr.5鈦合金中H元素含量超標，而適量超標H元素可以適當的改善鈦合金的熱加工性能，若H元素含量超標過多時則容易造成鈦合金出現低應變脆性敏感性，進而導致鈦合金材料的塑性性能較低。由于Gr.5鈦合金樣材中H元素明顯超標，且在拉伸試驗過程中伸長率低于標準值。因此，Gr.5鈦合金樣材中過多的H元素來源主要包括兩方面：一是酸洗處理過程中導致合金中H元素過量，二是化學銑削過程中導致合金中H元素過量。此外，在鈦合金樣材顯微組織中未發現明顯的異常組織結構，但顯微硬度明顯偏高，最終導致鈦合金延伸率和斷面收縮率降低，造成鈦合金顯微硬度增高，進而使得Gr.5鈦合金的塑性降低。

4 結語

綜上所述，Gr.5鈦合金屬于α+β型鈦合金，因其具有良好的綜合性能，被廣泛的應用于化工、電力、航空、航天、醫療等領域。

本文在總結鈦合金化學組成成分、顯微硬度和顯微組織的基礎上，通過固溶溫度試驗分析了不同固溶溫度對鈦合金塑性變化的影響，進而綜合分析了H元素含量超標對鈦合金材料塑性的影響，本文的研究成果有助于改進鈦合金軋制工藝，提高鈦合金材料的塑性。