熱處理制度對TA18棒材組織與性能的影響

文／鄭鵬飛，王文波，張曉龍，葛金余，屠孝斌，段曉輝，張雪敏·寶雞鈦業股份有限公司

本文結合小規格棒材的加工特點和實際生產經驗，旨在探明退火溫度對TA18 鈦合金組織與性能的影響規律，并得出結論：當退火溫度在750 ～800℃之間時，TA18 鈦合金棒材綜合力學性能較為良好，其強度與塑韌性的匹配性良好，并且當退火溫度上升到900℃時，顯微組織中有β 轉變組織的出現。

TA18 鈦合金，其名義成分為Ti-3Al-2.5V，作為微合金化的近α 型鈦合金，其具備比強度高、密度小、耐蝕性好以及線膨脹系數小等優良特性，被廣泛應用于航空航天等高端運輸裝備領域。前期，劉正喬等人對TA18 鈦合金卷的常規熱連軋工藝進行了研究；代金、楊建朝、李毅等人先后對TA18 鈦合金管材軋制及應用技術等進行了相關研究。可見對TA18 鈦合金的研究主要集中在管材、薄板(卷材)等方面，未見對TA18 鈦合金棒材進行相關研究的文章與報道。但隨著TA18 鈦合金應用的推廣，目前已經有了小規格棒材的應用需求，因此本文采用我公司鍛造生產的小規格棒材，摸索退火溫度對TA18 鈦合金棒材組織與性能的影響規律，以便為其應用推廣提供理論基礎及數據參考。

試驗材料及方法

試驗材料

試驗所用材料是我公司經過真空自耗電弧爐二次熔煉的φ700mm錠型鑄錠經過β區開坯鍛造＋兩相區鍛造(鐓粗和拔長)＋兩相區徑向鍛造等一系列工序生產的φ40mm 棒材。試驗所用試樣采用線切割取樣，取樣部位均為棒材頭部的心部部位。

根據國標YS/T 1262-2018 的試驗方法測得化學成分見表1，經連續升溫金相法測定該棒材本體相變點為930℃。

表1 鑄錠化學成分(質量分數，%)

試驗方法

對選材進行不同溫度的退火處理，熱處理制度見表2。最后進行室溫性能測試，包括顯微組織的觀察、拉伸性能的測試。

表2 試驗熱處理工藝

力學拉伸試驗在英斯特朗萬能材料試驗機上進行，試驗環境溫度15℃，環境濕度38%，試驗過程符合GB/T 228-2010 的要求。

顯微組織觀察是在20℃環境溫度和40%環境濕度下進行，經腐蝕劑擦拭腐蝕5s，在OLYMPUS GX71 型金相顯微鏡上觀察組織。所用腐蝕劑體積配比為5%HF+12%HNO3+83%H2O，試驗過程符合GB/T 228-2010 的要求。

結果與分析

顯微組織分析

圖1 為經過不同溫度的退火組織，可以看出TA18 鈦合金經過不同溫度退火之后，組織由α 晶粒與β 轉變組織組成。當溫度低于850℃時，呈現典型的α 等軸晶粒(α 晶粒占比基本在85%以上)，基本無次生α 相與β 轉變組織的產生(占比5%～9%)，顯微組織基本穩定，并且α 晶粒在極少數的局部區域連接成片；而當退火溫度為900℃時，顯微組織發生了質的轉變，轉變為由β轉變組織占主導地位，呈現長條狀與塊狀聚集態分布，并且初生α 相更加粗化且轉變為完全的等軸晶粒，值得注意的一點，此時的初生α 相占比只剩不到25%。

就晶粒的大小而言，當退火溫度在500 ～750℃時，α 晶粒比較細小并且組織較為致密，此時并未發生再結晶形核現象，并且初生α 晶粒并沒有因為溫度的升高而出現異常長大；當溫度在750 ～850℃之間時，初生α 晶粒出現了不均勻長大現象，并且在顯微組織的局部發生了再結晶現象，隨之溫度的升高伴隨著再結晶晶粒的長大，晶粒變得粗化且大小不均勻；當溫度為900℃時，由于溫度過高，顯微組織中出現了β 轉變組織，組織的不均勻性增大，并且α 晶粒快速減少。

室溫力學性能

圖2 為不同退火溫度的室溫力學性能，不同熱處理制度的室溫拉伸力學性能見表3，隨著退火溫度的逐漸上升，TA18 鈦合金抗拉強度與屈服強度呈現遞減的趨勢，而延伸率與斷面收縮率呈現逐漸遞增的趨勢。這是由于隨著溫度的不斷升高，晶界的移動速度會緩慢加快，隨即造成晶粒間的相互融合，并且溫度越高，晶界的自由能會增加，會越來越容易產生移動現象。

表3 不同熱處理制度的室溫拉伸力學性能

根據Hall-Petch 公式，材料的強度也會隨之發生緩慢的下降。就強度而言，當退火溫度在550 ～750℃之間時，材料的抗拉強度與屈服強度變化相對較為緩慢；而材料的強度在750 ～800℃時相對快速下降；當退火溫度高于800℃時，強度又呈現緩慢下降的趨勢；在退火溫度為900℃時，材料的強度值最低，這是由于TA18 鈦合金的再結晶溫度在720℃左右，當退火溫度遠高于其再結晶溫度時，材料局部出現了再結晶形核現象，并且形核現象極不均勻，甚至出現了晶粒的異常長大現象。在此過程中材料內部位錯密度降低，其在塑性變形直至斷裂的過程中，材料的強度也會隨之急劇降低，在這里再結晶產生的不均勻形核現象主要對金屬材料力學性能起到“軟化”的作用。

就塑性而言，當退火溫度在550 ～750℃之間時，材料的塑性變化相對較為緩慢；而材料的塑性在750 ～800℃時相對快速上升；當退火溫度高于800℃時，塑性又呈現緩慢上升的趨勢；在退火溫度為850 ～900℃之間時，材料的伸長率和斷面縮率最高。總體而言，當退火溫度選擇在750℃時，晶粒細小且分布均勻，α-Ti 含量占比較大，因其具備的密排六方結構在金屬發生塑性變形甚至斷裂的過程中抗力較大，使其具備較高的強度與較為理想的塑韌性，此時強度與塑韌性達到良好的匹配，TA18 鈦合金材料具備最為良好的綜合性能。

結論

⑴隨著退火溫度的升高，TA18 鈦合金強度隨之下降，550 ～750℃之間強度的變化相對較為緩慢，而高于750℃時，強度的下降加快。

⑵當退火溫度為900℃時，其組織中β 轉變組織較多，而初生α 相較少；當溫度低于850℃時，顯微組織為典型的α 相。

⑶當退火溫度在750 ～800℃之間時，TA18 鈦合金綜合力學性能較為良好，實現了強度與塑韌性的良好匹配。