成形及退火溫度對TA5鈦合金顯微組織和力學(xué)性能的影響

康 聰，李進(jìn)元，任馳強(qiáng)，李 菁

（西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201）

TA5鈦合金是一種中強(qiáng)全α型鈦合金，名義成分為Ti-4Al-0.005B，具有良好的焊接性和耐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于艦船煙囪蒙皮、桅桿等零部件［1，2］。試驗通過設(shè)計不同的成形溫度及熱處理制度獲得了不同的顯微組織形貌，研究分析了顯微組織對TA5鈦合金室溫力學(xué)性能的影響。

1 試驗材料與方法

試驗用材料為西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的Φ150 mm TA5鈦合金棒材，相變點為1 006℃。試驗用原材料在SX-16精鍛機(jī)上制備出Φ83 mm TA5鈦合金棒材，隨后進(jìn)行熱處理，成形溫度及熱處理制度見表1；最終在棒材頭部切取金相與室溫拉伸試樣進(jìn)行測試。顯示金相組織所用腐蝕劑為10%HF+40%HNO3+50%H2O，腐蝕后在Stemi2000型顯微鏡下進(jìn)行組織觀察；室溫拉伸試樣按GB／T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》加工成Φ5 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣并在1185型材料試驗機(jī)上進(jìn)行靜態(tài)室溫拉伸試驗。

表1 TA5棒材成形溫度及熱處理制度

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 不同工藝路線下成品棒材組織

2.1.1 成形溫度對棒材組織的影響

不同成形溫度下成品棒材經(jīng)850℃保溫2 h，空冷后的顯微組織形貌如圖1所示。由圖1可以看出，兩種成形溫度下退火態(tài)均為等軸組織，但組織細(xì)節(jié)存在明顯差別。1＃試樣存在明顯的晶界析出物且晶內(nèi)分布有沿特定方向析出的點狀析出物，4＃試樣以晶內(nèi)點狀析出物為主，伴隨少量晶界析出物。鈦合金中β→α相轉(zhuǎn)變屬于體心立方向密排六方的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，兩相之間滿足伯格斯關(guān)系：（110）β／／（0002）α，［1-11］β／／［11-20］β。通常情況下，在上述相轉(zhuǎn)變的過程中α相的生長總是沿著某一特定方向進(jìn)行，形成“片狀”微結(jié)構(gòu)。TA5鈦合金中存在微量Fe元素，該元素在α相中固溶度很小，因此伴隨片狀α相的生長，F(xiàn)e元素會析出并降低附近區(qū)域的相變點，從而形成沿特定方向析出的點狀β相，如1＃試樣所示。對于Tβ之下成形棒材，原有的條狀β相會歷經(jīng)變形，破壞原有流線結(jié)構(gòu)，并伴隨退火過程中α相再結(jié)晶形成無流線分布的點狀形態(tài)，如4＃試樣所示。

圖1 不同成形溫度下TA5鈦合金顯微組織

2.1.2 退火溫度對棒材組織的影響

圖2為相變點之下成形棒材經(jīng)不同退火溫度退火的顯微組織形貌。由圖2可以看出，經(jīng)700℃保溫2 h后的顯微組織為拉長的條狀α相，說明此時再結(jié)晶未充分進(jìn)行；當(dāng)退火溫度升至800℃時，組織內(nèi)部已出現(xiàn)等軸狀的再結(jié)晶結(jié)構(gòu)，但仍保留部分拉長的條狀α相；隨著退火溫度的進(jìn)一步升高，組織已經(jīng)完全轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶粒，且晶粒發(fā)生了明顯的長大。退火溫度越高，再結(jié)晶過程驅(qū)動力越大，原子擴(kuò)散速率越快，致使再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)上升、再結(jié)晶后晶粒尺寸增大。

圖2 不同退火溫度下TA5鈦合金顯微組織

2.2 不同工藝路線下棒材力學(xué)性能

2.2.1 成形溫度對棒材力學(xué)性能的影響

不同成形溫度下TA5棒材的室溫拉伸性能見表2。由表2可以看出，相比于Tβ之上成形棒材，Tβ之下成形有利于材料的塑性，但會降低材料的強(qiáng)度。由圖1可知，Tβ之上成形時，會形成伴隨有沿某特定方向分布的點狀β相的等軸組織，這種β相分布形態(tài)會將原有的等軸晶粒割裂成幾個小的“條狀區(qū)域”，一方面降低了有效滑移長度，導(dǎo)致強(qiáng)度增加，另一方面降低了材料的變形協(xié)調(diào)性，導(dǎo)致材料塑性下降。

表2 不同成形溫度下TA5鈦合金室溫拉伸性能

2.2.2 退火溫度對棒材力學(xué)性能的影響

退火溫度對TA5棒材的室溫拉伸性能如圖3所示。由圖3可以看出，隨退火溫度的上升，材料呈現(xiàn)強(qiáng)度降低、塑性上升的趨勢。一方面隨著退火溫度的上升，再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)上升，降低了加工產(chǎn)生的“加工硬化”效果；且隨著等軸晶粒數(shù)量增多、材料的變形協(xié)調(diào)性增加，改善了材料的塑性。另一方面，晶粒尺寸的增大導(dǎo)致材料內(nèi)部相界面減少，對于位錯的釘扎作用減弱，造成材料強(qiáng)度的下降。

圖3 不同退火溫度下TA5鈦合金室溫拉伸性能

3 結(jié) 論

1.兩種成形溫度下棒材退火態(tài)均為等軸組織，但組織細(xì)節(jié)存在明顯差別。Tβ之上成形的棒材組織存在明顯的晶界析出物且晶內(nèi)分布有沿特定方向析出的點狀析出物；Tβ之下成形的棒材組織以晶內(nèi)點狀析出物為主，伴隨少量晶界析出物，且隨著退火溫度的升高，再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)升高，晶粒尺寸增大。

2.相比于Tβ之上成形棒材，Tβ之下成形有利于材料的塑性，但會降低材料的強(qiáng)度；隨退火溫度的上升，材料呈現(xiàn)強(qiáng)度降低、塑性上升的趨勢。