熱處理工藝對TA24 鈦合金棒材顯微組織及性能的影響

文／張歡，周娜，鄭鵬飛，屠孝斌，張雪敏，李巍·寶雞鈦業股份有限公司

鈦合金具有密度低，比強度高，無磁，可加工性好，耐海水腐蝕及海洋大氣腐蝕等優良的綜合性能，在船舶海洋領域得到了廣泛的應用，TA24(Ti75) 是低合金化Ti-3Al-2Mo-2Zr，系具有我國自主知識產權的近α 型合金，含有3%的α 穩定元素Al，對α 相起固溶強化作用；含有2%的β 穩定元素Mo，起到強化β 相并改善工藝塑性的作用；還含有中性元素Zr，可改善金屬的焊接性能。TA24 鈦合金名義成分的鋁當量為3.5，鉬當量為2，其主要性能特點是具有比TA5 更高的強度和很好的工藝塑性。目前對TA24 鈦合金棒材的研究與報道較少，本文采用我公司生產的小規格棒材，研究TA24 合金棒材熱處理制度以及組織與力學性能之間的匹配關系，為工業生產提供幫助。

試驗材料及方法

為了進一步研究熱處理工藝與TA24 組織性能之間的匹配關系，試驗采用寶鈦集團真空自耗電弧爐經過二次熔煉的φ296mm 小型鑄錠在兩相區鍛造的φ16mm 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中心部位，其合金化學成分如表1所示。在該棒材上截取樣段進行750 ～900℃不同溫度及時間的熱處理試驗，編號1 ～8，熱處理制度分別為750℃×2h/AC，800℃×2h/AC，850℃×2h/AC，900℃×2h/AC，750℃×4h/AC，800℃×4h/AC，850℃×4h/AC，900℃×4h/AC。試驗顯微組織在Axiovert200 MAT 光學顯微鏡上觀測，室溫拉伸性能在Instron5885電子萬能材料試驗機上進行，室溫沖擊韌性在JNS-300 擺錘式沖擊試驗機上進行。

表1 TA24 鈦合金化學成分(質量分數，%)

試驗結果及分析

退火對顯微組織的影響

圖1 為經過不同溫度和時間熱處理后的退火組織，可以看出TA24 鈦合金棒材經過不同溫度退火之后，組織為α 相與β 轉變相。隨著退火溫度的升高，其初生等軸α 相等軸化程度提高，初生α 相含量降低，再結晶晶粒長大，還伴隨有次生α 相增多。當溫度在750℃時，隨著退火時間的延長，顯微組織變化不大。當溫度在800 ～850℃時隨著退火時間的延長，α 相開始溶解，β 相含量增加。當退火溫度在900℃時，隨著退火時間的延長，α 晶粒明顯長大。

圖1 TA24 棒材經不同溫度和時間退火后的顯微組織

力學性能試驗結果

試樣整體不同制度熱處理后，力學性能如表2所示。TA24 合金的抗拉強度與規定非比例延伸強度隨退火溫度升高而下降：保溫2h，抗拉強度降低了25MPa，規定非比例延伸強度降低了25MPa；保溫4h，抗拉強度降低了45MPa，規定非比例延伸強度降低了30MPa。這是由于溫度升高導致TA24 合金組織內的α 相的尺寸隨溫度升高而變大，同時還伴有部分α 相的溶解及β 相成分的變化。隨著保溫時間的延長這種變化會更加明顯。晶粒尺寸的增大讓合金的力學性能降低，且合金處在較長的保溫時間下組織內次生α 相已經充分析出并長大，在溫度越高的情況下次生α 相粗化程度越大，從而對力學性能產生影響。

表2 不同熱處理制度的室溫拉伸力學性能

TA24 合金的塑性隨著退火溫度的升高呈增長趨勢：在保溫2h 時鍛后伸長率共增長了1%，斷面收縮率共增長了2%；在保溫4h 時鍛后伸長率共增長了2%，斷面收縮率共增長了3%。這是因為隨著溫度的升高，合金中的初生α 相含量逐漸下降，雖然從合金的β 轉變組織中析出次生α 相，能夠提升合金強度，但由于合金中等軸初生α 相含量下降較多，原始β 晶粒進一步長大，析出的次生α 相引起的強度增加弱于由組織粗化引起的強度下降，從而導致TA24 鈦合金室溫力學性能降低和塑性提高。這種變化隨著保溫時間的延長更加明顯。

后羿前面都是部落首領這些統治者，到后羿開始才真正有了中國神話里的英雄人物。后羿射了九個太陽，然后把前面提到的兇獸一個個斬殺。

900℃時沖擊值最高，750℃時次之，850℃沖擊值最低。隨保溫時間延長，沖擊指標先下降后升高。900℃×4h/AC 的熱處理制度沖擊值最高。當退火溫度在800 ～850℃時，隨著熱處理溫度升高，初生α相體積分數減小，β 相的體積分數增大，并且α 相和β 相的晶粒尺寸逐漸增大，導致抗斷裂韌性下降。當溫度升高到900℃時，顯微組織由β 轉變組織占主導地位。形變畸變能釋放，再結晶晶粒增多，次生α 相長大，相界面增多。由于β 轉變組織呈多變形，裂紋擴展時在合金組織中的擴展路徑延長，抗斷裂韌性升高。

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結論

本文主要對兩相區加工的TA24 鈦合金棒材進行了不同溫度及時間的退火熱處理，確定了力學性能和顯微組織與退火溫度的關系，具體結論如下：

⑴TA24 鈦合金隨著熱處理溫度的升高，不僅有再結晶晶粒的長大，還伴隨有α 相的溶解和β 相成分的變化。

⑵隨熱處理溫度提高，材料的抗拉強度和屈服強度指標略有降低，斷面收縮率指標升高。

⑶根據對熱處理制度研究發現，900℃時沖擊值最高，750℃時次之，850℃沖擊值最低。