退火溫度對TA6 合金棒材組織與性能的影響

文／王少陽，張雪敏，田程，張博，李巍，段曉輝·寶雞鈦業股份有限公司

TA6(Ti-5Al)鈦合金是一種全α 型鈦-鋁二元系合金，含有5%鋁。因具有良好的焊接性、耐蝕性，在退火狀態下具有中等強度和足夠好的塑性，具有較高的蠕變強度，適用于在 400℃以下和存在浸蝕介質的環境下工作，大多用于制造航空部門的高溫結構部件、導彈彈頭蒙皮及常規武器裝備的結構件及焊接件。該合金雖然有上述優點，但是成形工藝可塑性較差，在生產中，對變形溫度極為敏感，熱加工窗口狹窄，熱加工過程中表面極易開裂，加工難度較大。

目前，國內外對該合金的報道較少，只有少數鈦合金加工廠家生產TA6 合金板材。但是作為一種良好的焊接零件用鈦合金材料，TA6 鈦合金棒材的應用極為廣泛。本文通過研究不同退火溫度對TA6 合金棒材組織和性能的影響，優化其最佳的熱處理制度，為工業生產提供工藝指導。

試驗材料及方法

本文試驗所用材料為寶雞鈦業股份有限公司采用2 次真空自耗電弧爐熔煉的TA6 鈦合金φ720mm鑄錠，其主要化學成分見表1。經金相法測定其相變點為1023℃，鑄錠經開坯鍛造、中間鍛造、成品鍛造，通過充分的變形，使原始晶粒完全破碎。采取逐級降溫的加熱方式，經過2500t 鍛壓機多火次鍛造及SXP-13 徑向鍛造機的鍛造，生產出規格為φ75mm的成品棒材。

表1 TA6 合金鑄錠的化學成分(%)

在成品棒材上切取試樣坯，按照表2 的熱處理方案進行熱處理試驗，熱處理在箱式電阻爐中進行，按照國標加工成標準拉伸試樣、沖擊試樣，測試其室溫拉伸性能及沖擊性能，同時采用Axiovert 200MAT光學顯微鏡觀察不同熱處理制度下的顯微組織變化。

表2 TA6 鈦合金棒材的熱處理方案

試驗結果與分析

退火制度對組織的影響

TA6 棒材不同部位的顯微組織如圖1 所示，由圖可見，經過多火次的變形，原始β 晶粒得到充分的破碎，經過回復再結晶，棒材邊部和心部的鍛態組織差異不大，均為均勻分布的α 組織。但是，φ75mm棒材的成形工藝采用的是精鍛成形，變形速度快，一次變形量小，棒材表面變形量大，而心部變形量相對較小，導致棒材邊部和心部的再結晶程度不同，棒材表面可完全再結晶，形成細小均勻晶粒，心部再結晶不完全，個別晶粒處于被拉伸，被破碎的不穩定狀態，因此心部的晶粒較邊部略大，也存在個別拉長，等軸化程度不高的晶粒。同時，變形后由于棒材表面和心部的冷卻速率不同，會導致心部晶粒長大。

圖1 TA6 鈦合金φ75mm 棒材橫向R 態顯微組織

圖2 為TA6 棒材不同退火溫度下的顯微組織，由圖可以看出，合金經過熱處理后，組織形貌及類型較鍛態組織無明顯區別，均為等軸α 組織。但是隨著退火溫度的不同，棒材α 相的均勻性有所不同，同時α 相尺寸略有不同：在750℃和775℃下退火后的顯微組織均勻性較差，顯微組織中仍存在拉長α與等軸α 交錯分布；當退火溫度升高至800℃時，α 相等軸化較好，且晶粒尺寸細小，均勻分布；當退火溫度升高至825℃和850℃時，α 相晶粒尺寸逐漸長大，由于鍛造后儲存的畸變能不同，導致個別晶粒在較高溫度下退火時，晶粒發生再結晶后長大的尺寸不同，導致整個視場內晶粒分布的不均勻性。

圖2 TA6 鈦合金φ75mm 棒材不同退火制度下的顯微組織

退火制度對力學性能的影響

⑴退火制度對室溫拉伸性能的影響。

TA6 鈦合金常用退火溫度范圍為750 ～850℃。本節研究在常用退火溫度范圍內，不同溫度對其室溫拉伸性能的影響。圖3 是TA6 鈦合金不同退火制度下的力學性能，由圖可以看出，隨著退火溫度由750℃升高到800℃，抗拉強度和屈服強度呈現相同規律，即隨著溫度的升高，強度升高；當退火溫度繼續由800℃升高到850℃，隨著溫度的升高，強度呈現下降趨勢。而斷后伸長率和斷面收縮率隨著退火溫度由750℃升高到800℃，基本變化不大；當退火溫度由800℃升高到850℃時，斷后伸長率和斷面收縮率均有明顯提升。塑性的變化規律與強度變化相對應，符合材料強塑性變化規律。室溫拉伸性能的變化與顯微組織密切相關，退火溫度在800℃時，等軸α 相均勻細小分布，起到細晶強化作用。同時斷后伸長率是反映材料能夠承受塑性變形能力和加工硬化程度的指標，反映出材料的均勻變形程度。

圖3 不同退火溫度對TA6 鈦合金室溫拉伸性能的影響

⑵退火制度對室溫沖擊性能的影響。

為研究TA6 鈦合金對缺口的敏感性，本小節研究了TA6 鈦合金在不同退火溫度下對沖擊性能的影響。圖4 為不同退火溫度下合金的沖擊性能，由圖可以看出，退火溫度由750℃升高到800℃時，合金的沖擊吸收功基本不變，保持一定水平，可達到51.5J；當退火溫度由800℃升高到850℃時，合金的沖擊吸收功明顯增加，可達63J。這一變化規律與該合金在不同退火溫度下的顯微組織相對應，退火溫度在825℃和850℃時，由于α 相尺寸長大程度不同，造成個別晶粒較大，細小晶粒與長大的不規則晶粒交錯在一起，當在缺口根部由于受到較大沖擊力，同時，沖擊加載在缺口根部形成很高的應變速率，增加了裂紋的擴展與斷裂的瞬間選擇性，因此在退火溫度較高的情況下，其沖擊性能較高。對于中強度TA6 合金，其沖擊性能在很寬的工程應用溫度范圍內都很高。

圖4 退火溫度對TA6 合金沖擊性能的影響

結束語

⑴TA6 鈦合金顯微組織隨著退火溫度的升高，α 相的均勻性及等軸化程度提高，當退火溫度超過800℃時，晶粒尺寸有長大趨勢。

⑵TA6 鈦合金棒材的強度隨著退火溫度的升高呈現先升高后降低的趨勢，塑韌性變化趨勢與之相反，退火溫度為800℃時，為性能的轉折點，該溫度下強塑性匹配最佳。

⑶退火溫度由750℃升高到800℃時，TA6 鈦合金的沖擊吸收功基本不變，當退火溫度由800℃升高到850℃時，合金的沖擊吸收功明顯增加。