TA10钛合金板材的热处理工艺研究

葛 伟，邓宁嘉，丁春聪，陈 阳，徐国俊

(南京宝泰特种材料股份有限公司，江苏 南京 211100)

TA10钛合金板材的热处理工艺研究

葛 伟，邓宁嘉，丁春聪，陈 阳，徐国俊

(南京宝泰特种材料股份有限公司，江苏 南京 211100)

为了使热轧TA10钛合金板材的塑性指标能够满足后续爆炸复合工艺的要求，对3 mm厚热轧TA10钛合金板材进行了不同温度和不同保温时间的退火热处理，研究退火温度和保温时间对其组织和力学性能的影响。结果表明，热轧态TA10钛合金板材经(700～750)℃ ×(30～60)min/AC热处理后可以得到较为均匀的等轴α相组织和较好的综合力学性能，满足爆炸复合用钛板的使用要求。

TA10钛合金;热处理;显微组织;力学性能

0 引言

钛作为一种耐蚀结构材料，广泛应用于航空航天、石油化工、制盐、印染、制药、食品、海水淡化等领域［1］，但是在高温、高浓度的氯化物中，纯钛会发生缝隙腐蚀，影响使用寿命。为了解决纯钛在高温、高浓度氯化物中的缝隙腐蚀问题，人们研制了一种新型钛合金——Ti-0.2Pd合金。该合金在还原性介质和热浓氯化物中具有抗局部腐蚀的能力［2］，但由于添加有贵金属钯，成本较高，使其应用受到了限制。20世纪70年代中期，美国钛金属公司研制了Ti-0.3Mo-0.8Ni合金。该合金为近α型钛合金，在高温、高浓度氯化物中具有良好的抗缝隙腐蚀能力，可以部分取代成本较高的Ti-0.2Pd合金［3－4］，已被美国、英国、俄罗斯、日本、法国、德国等国家列入了国家标准，并投入工业化生产。20世纪80年代，我国开始对Ti-0.3Mo-0.8Ni合金进行材料加工和应用方面的研究，也将其列入我国国家标准(对应我国牌号TA10)，并在纯钛可能出现缝隙腐蚀的环境中得到了应用［5－6］。如1985年3月首次应用于湘澧盐矿真空制盐的一效加热室［7］，1986年4月应用于塘沽盐场氯化镁蒸发罐的加热室［8－9］。

南京宝泰特种材料公司承接了国外某钾肥工程生产装置用钛钢复合材料的订单。该复合材料覆层为3 mm厚的TA10钛合金板材。根据GB/T 3621—2007《钛及钛合金板材》标准，常规板材需满足A类要求，断后伸长率达到18%即可，而后续用于爆炸焊接的板材需满足B类要求，断后伸长率应达到25%以上。为保证爆炸复合工艺对钛合金板材塑性的要求，可采用硬度低的0级海绵钛作为原料生产板材，以达到后续工序对塑性指标的要求，但这样势必会增加原材料的成本。本实验采用2级海绵钛作为原料制备TA10钛合金板材，通过研究不同热处理制度对TA10钛合金板材组织和性能的影响，探寻合适的热处理制度，以期获得塑性指标能够满足后续爆炸复合工艺要求的TA10钛合金板材。

1 实验

1.1 实验材料

采用2级海绵钛、镍－钼中间合金，经过两次真空自耗熔炼制备直径为560 mm的TA10钛合金铸锭，其化学成分见表1。

表1 TA10钛合金铸锭化学成分(w/%)Table 1 Chemical composition of TA10 alloy ingot

铸锭经锻造开坯、铣面、修磨等工序制成热轧板坯，再在1680轧机上经两火轧制成3.0 mm厚的板材。图1为轧制态TA10钛合金板材的金相照片，其组织为极细的条带状轧制态变形组织。表2为轧制态TA10钛合金板材的室温力学性能。

表2 轧制态TA10钛合金板材室温力学性能Table 2 Room-temperature mechanical properties of the rolled TA10 alloy sheets

1.2 热处理

热处理试验采用SX2-2.5-10型电阻炉，温度误差±5℃。TA10钛合金为近α型合金，冷却速度对其组织和性能影响不大，退火温度一般应选择在α+β/β相变点以下120～200℃［10］。因此，在3.0 mm厚热轧TA10钛合金板材上切取热处理试样，进行不同温度退火处理，退火温度分别为550、600、650、700、750、800℃，保温时间均为30 min，冷却方式为空冷。在退火后的板材上取样，进行显微组织观察和力学性能测试，探寻合适的退火温度。在优选的退火温度下，进行不同保温时间的退火处理，保温时间分别为15、30、60、120、180 min。取样观察不同时间退火后板材的显微组织并测试力学性能，最终获得合适的热处理制度。

2 结果与讨论

2.1 热处理温度对板材组织和力学性能的影响

图1 轧制态TA10钛合金板材的金相照片(400×)Fig.1 Microstructure of the rolled TA10 alloy sheet

表3 不同温度退火后TA10钛合金板材的室温力学性能Table 3 Room-temperature mechanical properties of TA10 sheets annealed at different tempertures

图2 不同温度退火后TA10钛合金的板材显微组(400×)Fig.2 Microstructures of the TA10 alloy sheets annealed at different temperatures

TA10钛合金热轧板材经不同温度保温30 min并空冷的退火处理后的室温力学性能及显微组织见表3和图2。由表3可见，TA10钛合金板材经550℃ ×30 min/AC退火处理后，由加工硬化引起的强度高和塑性较差的现象并未得到消除;在550～650℃之间，随着热处理温度的升高，板材的加工硬化现象逐渐得到消除，抗拉强度逐渐降低，塑性略有提高;在650～700℃之间，热轧板材的强度几乎不变，而塑性显著提高;在750～800℃之间，热轧板材的抗拉强度仍保持不变，而断后伸长率却在减小，板材塑性变差。由图2可以看出，TA10钛合金板材在700℃以下主要发生回复过程，组织为条带状的轧制变形组织，当热处理温度的升高至700℃时，发生再结晶形核和晶粒长大。热处理温度为750℃时，再结晶基本完成，绝大部分组织为较细小的等轴α相，但仍有少量的条带状变形组织。当热处理温度达到800℃时，部分晶粒发生异常长大，组织较为粗大。因此，为保证TA10钛合金热轧板材能够满足后序的爆炸复合工序对板材塑性的要求，合适的热处理温度应在700～750℃之间选择。

2.2 保温时间对板材组织和力学性能的影响

根据热处理温度实验选定热处理温度为750℃，在此温度下进行的不同保温时间热处理后板材的力学性能见表4，显微组织见图3。

由表4可以看出，当加热温度为750℃时，随着保温时间的延长，TA10钛合金板材的抗拉强度变化不大，在5～10 MPa以内，保温时间在15～60 min区间内，板材断后伸长率随保温时间延长显著变大，塑性变好;而当保温时间超过60 min后，板材断后伸长率有较明显的降低，塑性逐渐变差。由图3可以看出，TA10钛合金板材在750℃下分别经过15、30、60、120、180 min退火处理后，组织由最初的条带状轧制变形组织逐渐发生再结晶形核和晶粒长大，当保温时间为30 min时，再结晶基本完成(见图3b)，当保温时间达到60 min时，再结晶全部完成，组织为细小且均匀的等轴α相(见图3c)。随着保温时间的继续延长，变形织构等阻碍晶粒长大因素的消除，少数特殊晶界迅速迁移［11］，部分再结晶晶粒出现异常长大，组织逐渐粗大。

表4 不同时间退火后TA10钛合金板材的室温力学性能Table 4 Room-temperature mechanical properties of TA10 alloy sheets annealed with different time

图3 TA10钛合金板材在750℃下经过不同时间退火后的显微组织(400×)Fig.3 Microstructures of the TA10 alloy sheets annealed with different time at 750℃

综上所述，TA10钛合金轧制板材退火处理需要达到一定温度方能有效地进行回复，获得较好的组织和性能。如在750℃退火处理时可获得等轴状α组织及较好塑性，当温度继续升高时强度上升，延伸率下降。TA10钛合金板材退火处理时还应控制好保温时间，否则由于再结晶晶粒的长大，会影响材料的塑性。

3 结论

(1)热处理温度达到600℃时，TA10钛合金板材组织可以得到较好回复，但塑性较差。若需获得较好的塑性，满足爆炸复合用钛板的使用要求，则需进行较高温度(700～750℃)的热处理。

(2)热处理温度一定时，保温时间对TA10钛合金板材的强度影响不大，但对塑性影响显著。

(3)对于3 mm厚TA10钛合金热轧板材，经过(700～750)℃ ×(30～60)min/AC退火处理后，可以获得较为均匀的等轴α相和较好的综合力学性能，满足爆炸复合用钛板的使用要求。

［1］稀有金属加工手册编写组.稀有金属加工手册［M］.北京:冶金工业出版社，1980.

［2］邵锡宸，张乃新.钛镍钼合金在某些介质中的耐蚀性能［J］.江苏化工，1989(2):49－51.

［3］李佐臣.国外Ti-0.3Mo-0.8Ni合金的研究、生产与应用［J］.稀有金属材料与工程，1984，13(5):75－81.

［4］高捷，余存烨.钛钼镍合金在石化工业中的应用［J］.钛工业进展，1996，13(6):51－54.

［5］杨同年.生产烧碱用Ti-0.3Mo-0.8Ni热交换器［J］.钛工业进展，1994，11(3):16－17.

［6］余存烨.Ti-0.8Ni-0.3Mo合金氢化腐蚀探析［J］.稀有金属材料与工程，1991，20(3):73－77.

［7］王毅刚.湘澧盐矿的科技进步［J］.盐业史研究，1999(3):102－104.

［8］李佐臣.用钛钼镍合金制造氯化镁蒸发罐加热室［J］.稀有金属材料与工程，1991，20(1):15－18.

［9］孙德起.钛钼镍合金在氯化镁加热室的应用［J］.稀有金属材料与工程，1987，16(5):135－137.

［10］潘建生，徐跃明.热处理技术手册［M］.北京:化学工业出版社，2009:641－650.

［11］胡赓祥.材料科学基础［M］.上海:上海交通大学出版社，2011:180－182.

Study on Heat Treatment System of TA10 Alloy Sheet

Ge Wei，Deng Ningjia，Ding Chuncong，Chen Yang，Xu Guojun
(Nanjing Baotai Special Material Co.，Ltd.，Nanjing 211100，China)

In order to meet the ductility requirements of hot rolled TA10 titanium sheet for subsequent explosive cladding process，the TA10 alloy sheets were annealed with different temperature and different holding time.And the influences of annealing temperature and holding time on the microstructure and mechanical properties were studied.The results show that，the hot rolled TA10 alloy sheets can obtain more uniform equiaxed αphase and good comprehensive mechanical properties after heat treatment of(700～750)℃ ×(30～60)min/AC，can meet the requirements of explosive cladding plate.

TA10 alloy;heat treatment;microstructure;mechanical properties

10.13567/j.cnki.issn1009-9964.2015.04.008

2015－04－12

葛伟(1968—)，男，工程师。