冷卻方式對TA10 鈦合金組織與力學(xué)性能的影響

楊嘉珞 張明玉 岳 旭,3 同曉樂,3 王玉佳 楊 斌

（1、新疆湘潤新材料科技有限公司，新疆 哈密 839000 2、大連交通大學(xué) 連續(xù)擠壓教育部工程研究中心，遼寧 大連 116028 3、新疆鈦基新材料重點實驗室，新疆 哈密 839000）

1 概述

鈦及鈦合金的具備眾多優(yōu)異的綜合性能，例如無磁性、良好的生物兼容性、耐腐蝕性、耐低溫等，使得該合金在軍工、醫(yī)療、航海、化工等大量領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用[1-2]。TA10 鈦合金是由美國研究出的一直近α 型鈦合金，該合金的名義成分為Ti-0.3Mo-0.8Ni，因為該合金含有Mo 元素和Ni 元素，導(dǎo)致該合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性，該合金因成本較低，可替代高成本的Ti-0.2Pd 合金，故其在化工領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛[3-4]。

隨著鈦合金的應(yīng)用越來越廣泛，TA10 鈦合金的應(yīng)用領(lǐng)域不斷增加，其研究也愈加多元化，蘇娟華等[5]建立并分析了TA10 鈦合金熱加工圖，發(fā)現(xiàn)了當(dāng)增加應(yīng)變時，流變失穩(wěn)區(qū)以及峰值耗散效率因子都會體現(xiàn)出明顯的規(guī)律改變，都是先降低后增加，同時流變失穩(wěn)區(qū)會變?yōu)閮蓚€不同的失穩(wěn)區(qū)。張朝暉等[6]研究了氫對TA10 合金焊接接頭組織和性能的影響，結(jié)果表明：經(jīng)過滲氫處理后的接頭組織與原始組織相比，晶界變得更加模糊，組織存在大量點狀和條狀氫化物，接頭處的硬度數(shù)值呈現(xiàn)出字母W 形變化趨勢，硬度最高位置是焊核的中心區(qū)域，而硬度最低區(qū)域為熱影響區(qū)，滲氫處顯微硬度要高于原始態(tài)接頭處。

因為TA10 合金的應(yīng)用領(lǐng)域不斷增加，導(dǎo)致對該合金的力學(xué)性能要求更高，而組織又是影響合金力學(xué)性能的關(guān)鍵，故本文研究不同冷卻方式對TA10 合金的組織影響，進(jìn)一步分析組織對力學(xué)性能的影響，對該合金的組織和力學(xué)性能關(guān)系作出進(jìn)一步探索。

2 試驗材料與方法

本試驗選用的材料為直徑為150 mm 的TA10 鈦合金棒材，該合金由Mo-Ni 中間合金和海綿鈦經(jīng)過真空自耗熔煉爐（VAR）熔煉而成鑄錠，并經(jīng)多次鍛造而成棒材，通過ICP 測得TA10 鈦合金的具體化學(xué)成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)：0.29% Mo、0.76% Ni、0.06% O、0.073% Fe、Ti余量。該合金的相變點測試方法為連續(xù)升溫金相法，測得該合金的相變點為890℃～895℃。TA10 合金棒材的原始微觀組織如圖1 所示，該組織由β 轉(zhuǎn)變組織和初生α 相組成，而β 轉(zhuǎn)變組織由次生α 相和殘余β 相（黑色區(qū)域）組成。

圖1 TA10 鈦合金棒材原始金相組織

將TA10 鈦合金棒材進(jìn)行切割，隨后根據(jù)相變點選取兩相區(qū)溫度820℃×2h 進(jìn)行熱處理，隨后分別進(jìn)行水冷（WQ）、空冷(AC)、爐冷(FC)處理，觀察不同冷卻方式處理后的TA10 鈦合金微觀組織，并進(jìn)行維氏硬度和拉伸性能測試，其中硬度測試條件為HV5。采用KSL 型號的箱式電阻爐進(jìn)行熱處理，使用Axiouert 型號的光學(xué)顯微鏡觀察微觀組織，采用7MHVS 型號維氏硬度計測試硬度值，采用型號為LK-4 的電子萬能拉伸機(jī)進(jìn)行拉伸測試。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 金相組織

圖2 為經(jīng)不同冷卻方式處理后的金相組織，由圖2可知，與原始組織相比較，合金經(jīng)不同冷卻方式處理后的金相組織發(fā)生較大變化，其中，經(jīng)水冷處理后，組織中初生α 相含量明顯較少，同時組織中出現(xiàn)非常明顯的β 轉(zhuǎn)變組織，并且析出大量的六方馬氏體α'相，組織由等軸組織轉(zhuǎn)變?yōu)殡p態(tài)組織。這是因為820℃為試驗用TA10 鈦合金的兩相區(qū)溫度，當(dāng)合金加熱到該溫度后，組織中部分初生α 相發(fā)生溶解，導(dǎo)致其含量降低，在隨后進(jìn)行水冷的過程中，組織中的β 相發(fā)生固態(tài)相變，轉(zhuǎn)變?yōu)榱今R氏體α' 相，并形成亞穩(wěn)定β 相，組織中形成過飽和固溶體，故合金經(jīng)水冷處理后的組織由初生α相、六方馬氏體α'相以及亞穩(wěn)定β 相組成[7]。當(dāng)合金在加熱并進(jìn)行空冷處理后，形成的組織與水冷形成組織相近，但因為空冷的速度較水冷更慢，故組織中除有初生α 相外，形成了次生α 相，且次生α 相相比六方馬氏體α'相，其體積略有增大，所以經(jīng)空冷處理后的組織由初生α 相和β 轉(zhuǎn)變組織組成，β 轉(zhuǎn)變組織由次生α'相以及殘余β 相組成[8]。當(dāng)合金加熱并進(jìn)行爐冷處理后，其組織為明顯的等軸組織，此時組織中初生α 相體積明顯增大增粗，并且形成細(xì)小棒材的次生α 相，這是因為爐冷的過程較長，組織中的初生α 相和次生α 相有足夠的能量和時間進(jìn)程生長，故其組織較為粗大，形成等軸組織。

圖2 經(jīng)不同冷卻方式處理后的金相組織

3.2 維氏硬度

圖3 為經(jīng)不同冷卻方式處理后的維氏硬度值，由圖3可知，合金經(jīng)不同冷卻方式處理后，其硬度值有一定差異，其硬度數(shù)值由大到小依次為水冷（220 HV）、空冷（185 HV）、爐冷（183 HV），其中水冷硬度最大，而空冷和爐冷差距較小。隨后對組織中初生α 相含量進(jìn)行測試，測試的三種冷卻方式中其初生α 相含量分別為水冷（44 %）、空冷（43 %）、爐冷（77 %），可以發(fā)現(xiàn)，爐冷的組織中，初生α 相含量最多，而水冷和空冷組織中初生α 相含量幾乎一致。

圖3 經(jīng)不同冷卻方式處理后的維氏硬度

在硬度測試過程中，因為水冷和空冷組織中初生α相含量幾乎一致，所以測試硬度的差異以六方馬氏體α'相和次生α 相為主，當(dāng)合金進(jìn)行水冷處理后，組織以初生α 相和六方馬氏體α'相為主，其中具有六方結(jié)構(gòu)的α'相相比與初生α 相和次生α 相，其硬度較大，所以導(dǎo)致水冷處理后的硬度最大。而合金經(jīng)空冷和爐冷處理后，雖然初生α 相含量差異較大，但是組織中初生α 相和次生α 相均為密排六方結(jié)構(gòu)，其硬度差異較小，導(dǎo)致空冷和爐冷硬度差異較小[9]。

3.3 拉伸性能

圖4 為經(jīng)不同冷卻方式處理后的拉伸性能，由圖4可知，合金經(jīng)不同冷卻方式處理后，其抗拉強(qiáng)度（Rm）值分別為水冷（510MPa）、空冷（494MPa）、爐冷（477MPa），其屈服強(qiáng)度（RP0.2） 值分別為水冷（395MPa）、空冷（364MPa）、爐冷（338MPa），可以發(fā)現(xiàn)，合金的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度均是經(jīng)水冷處理后數(shù)值最大，經(jīng)爐冷處理后數(shù)值最小。在塑性方面，合金的斷后伸長率（A）趨勢與強(qiáng)度相反，其數(shù)值分別為水冷（23%）、空冷（27%）、爐冷（35%）。

圖4 經(jīng)不同冷卻方式處理后的拉伸性能

影響合金強(qiáng)度與塑性的因素有合金成分、組織形貌、相含量等眾多因素。在合金經(jīng)不同冷卻方式處理后，因為水冷處理后的組織中有大量α'相，在合金進(jìn)行拉伸過程中，因為α'相十分細(xì)小，位錯在滑移過程中容易形成位錯塞積現(xiàn)象，增大合金的強(qiáng)度，同時，由于在水冷形成α'相的過程中，其內(nèi)部同時存在大量的位錯，二者綜合作用下，導(dǎo)致水冷后合金的強(qiáng)度較高。當(dāng)合金進(jìn)行空冷處理后，雖然組織中沒有強(qiáng)度較高的α'相，但依然存在大量的細(xì)小次生α 相，在拉伸過程中同樣會有位錯塞積產(chǎn)生，大量次生α 相同時會有更多的相界面，較多的相界面同樣會產(chǎn)生強(qiáng)化作用。當(dāng)合金進(jìn)行爐冷處理后，組織中存在大量等軸狀初生α 相，等軸狀α 相含量越多，合金的塑性越好，這是因為等軸狀α 相中能開動的滑移系數(shù)量較多，在塑性變形過程中，滑移系會在位向較大的等軸狀α 相中首先開動，當(dāng)組織中包含較多等軸狀α 相時，塑性變形過程中產(chǎn)生的形變能快速的分散到等軸狀α 相中，組織中較難出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，故提高合金的塑性[10]。

此外，合金的抗裂紋擴(kuò)展以及抗裂紋源萌生能力也是影響合金力學(xué)性能的主要因素，其組織的抗裂紋源萌生能力對力學(xué)性能的影響較大，而滑移距離影響抗裂紋源萌生能力的主要因素，因為爐冷組織中的初生α 相含量較多，尺寸較大，導(dǎo)致其滑移距離較短，故其強(qiáng)度較低[11]。

4 結(jié)論

4.1 經(jīng)水冷處理后，組織中初生α 相減少，析出大量六方馬氏體α'相，組織由等軸組織轉(zhuǎn)變?yōu)殡p態(tài)組織，進(jìn)行空冷處理后，組織中除有初生α 相外，還形成了次生α 相，進(jìn)行爐冷處理后，組織中初生α 相體積明顯增大增粗，并且形成的細(xì)小棒材的次生α 相。

4.2 經(jīng)不同冷卻方式處理后的硬度由大到小依次為水冷、空冷、爐冷，其中水冷硬度最大，而空冷和爐冷差距較小。

4.3 合金經(jīng)不同冷卻方式處理后，合金的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度均是經(jīng)水冷處理后最大，經(jīng)爐冷處理后最小，在塑性方面，合金的斷后伸長率趨勢與強(qiáng)度相反。