高溫熱處理溫度對Ti80鈦合金擠壓管材組織性能的影響

鳳偉中，王小翔，張耀斌

（寶雞鈦業股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

Ti80是我國自主研制的一種近α型鈦合金，其名義成分為Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo，對應于國標中TA31合金。該合金力學性能與國外的Ti-6Al-2Nb1Ta0.8Mo合金相當，其主要特點是，具有高強度、高韌性、抗腐蝕性好以及焊接能優良的特點，主要作為結構材料應用于航洋工程領域，尤其是在艦船、石油、化工等領域應用較多。由于在一些特殊環境下，如艦船和潛艇在海水工況下長期工作時，不但會受到海水中各種離子的腐蝕，而且要承受一定的強度和沖擊作用，尤其是大的沖擊載荷，因此在輸送、儲存具有腐蝕介質的應用方面，Ti80材料制備的管路系統和容器成為首選。

雙態組織是指，組織中α有兩種形態，一種是等軸狀的初生α，另一種是β轉變組織中的片狀α。與初生α相對應，此片狀α也稱為次生片狀α。兩相鈦合金一般采用兩相區上部溫度變形，或者在兩相區變形后，再加熱到兩相區上部溫度后冷卻，即可得到雙態組織。

本文主要通過研究雙態組織狀態的鈦合金擠壓管材制備工藝、熱處理工藝和組織性能影響關系，采用兩相區上部溫度變形及高溫熱處理工藝路線，制備出抗拉強度、屈服強度、塑性、沖擊功和組織等，綜合性能滿足指標要求的Ti80鈦合金管材。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

Ti80鈦合金錠坯是寶雞鈦業股份有限公司，經三次真空自耗電弧爐熔煉制備的Φ810mm鑄錠，采用金相法測得α+β/β相變點為992℃，鑄錠的化學成分符合表1要求。

表1 Ti80鈦合金鑄錠化學成分

鑄錠經3150t水壓機自由鍛壓機在相變點上經過多次開坯鍛造后，最終在兩相區精鍛，制成擠壓管材用棒坯。鍛造后的棒坯，加熱到相變點以下20℃～40℃溫度，在3150t臥式水壓機上擠壓出φ150×Lmm Ti80鈦合金管材。

1.2 實驗方法

從擠壓制備的Ti80管材端頭，切取φ150×100mm管段試樣，進行管段整體熱處理，試樣熱處理制度見表2，取樣示意圖見圖1。經過熱處理后的管材，利用電火花線切割機，取金相、拉伸及沖擊功試樣。金相試驗試樣大小為10×10×10mm方塊，采用配比HF∶HNO3∶H2O為1∶3∶10(體積比)腐蝕劑進行腐蝕，然后在OLYM PU SPM G3金相顯微鏡上對管材縱橫向組織觀察分析。管材拉伸試樣加工成工作區直徑為5mm、長度為50mm標準拉伸試樣，在IN-ST RON 1185萬能拉伸機上，按照GB/T228.1標準要求，進行室溫拉伸性能檢測。管材的沖擊試樣加工成10×10×55mm規格，V型缺口為45°×2mm，利用N1500C沖擊試驗機，按照GB/T229標準進行室溫沖擊性能檢測。

表2 Ti80鈦合金管材試樣的熱處理制度

圖1 Ti80管材取樣示意圖

2 結果與分析

2.1 熱處理溫度對顯微組織的影響

圖2為擠壓后管材及不同熱處理溫度退火后Ti80管材顯微組織。圖2中a和b分別是Ti80鈦合金熱擠壓管材熱處前縱橫向顯微組織照片，從圖中可以看出，擠壓后管材縱向顯微組織具有明顯的金屬流向，擠壓態管材組織主要以拉長的α相為主，初生α相比例占60%以上，并存在少量次生α相析出。

圖2 Ti80鈦合金管材經不同制度熱處理后的顯微組織

圖c～h為相變點下不同溫度熱處理后縱橫向顯微組織照片。

對比管材熱處理前后顯微組織可以發現，初生α相含量變化非常大，隨著退火溫度的升高，初生α相含量快速減少，次生α相含量增多。在950℃退火后，部分α相組織仍然呈現出一定的拉長形態，而在970℃溫度熱處理后，其縱向拉長的變形α相組織全部呈等軸狀，并且次生α相隨之增多變厚。在接近相變點溫度熱處理后，初生α相含量減少到5%以下，β轉變組織含量大幅增加，其顯微組織以不同取向的針狀α相、晶界α相及β轉變組織構成，完整的β晶界逐漸清晰。因此，通過控制擠壓管材的熱處理溫度，可以達到調整管材雙態組織形貌的目的。

2.2 熱處理溫度對力學性能的影響

Ti80鈦合金擠壓管材在不同熱處理工藝下的拉伸和室溫沖擊性能見圖3。由圖3可知，經相變點以下高溫熱處理后的鈦合金管材，隨熱處理溫度的升高，抗拉強度基本變化不大，屈服強度隨溫度升高有所降低，塑性隨熱處理溫度增大先升高后降低。沖擊功在970℃以下溫度熱處理時，隨溫度升高沖擊功略微增大，當超過該溫度靠近相變點熱處理后，沖擊功明顯降低，但還是維持63J的較高水平。

圖3 不同溫度熱處理后Ti80鈦合金拉伸性能和沖擊功

Ti80雙態組織擠壓管材的室溫力學性能，由等軸狀的初生α相與β轉變組織中的次生α相共同參決定，在相變點下高溫退火時，隨著熱處理溫度升高，管材再結晶組織狀態與次生α相組織此消彼長，因此，在宏觀性能上表現出室溫強度隨熱處理溫度變化不大。塑性和沖擊功主要與組織類型和形貌有關，在拉伸變形過程中，等軸狀α相相對于片層狀α相參與滑移過程的α相多，且承受變形量大，致使金屬拉伸斷裂前變形量更大，因此在950℃熱處理后的組織狀態表現出更好塑性。990℃熱處理后的管材，相對其他溫度熱處理后的沖擊功較低，主要在于組織形態差異。相變點附近熱處理后管材的層片狀次生α相組織較薄，裂紋擴展相對較容易，不能形成有效的阻礙作用，因此相對較低溫度熱處理后的雙態組織沖擊性能偏低。

3 結論

（1）隨著熱處理溫度升高，管材顯微組織由拉長的變形組織過渡到雙態組織，當退火溫度接近相變點時，呈現魏氏組織特征。

（2）Ti80鈦合金熱擠壓管材在相變點下20℃～40℃，退火時可以制備出滿足雙態組織要求的管材。

（3）Ti80鈦合金管材經950℃/60min/AC方式熱處理后，力學性能和室溫沖擊功綜合性匹配較好。