热加工及热处理工艺对Ti80合金棒材组织和性能的影响

罗锦华，朱燕丽,2，孙小平，陈海生,2，和永岗

(1.西部超导材料科技股份有限公司，陕西　西安　710018)(2.西北工业大学，陕西　西安　710072)



热加工及热处理工艺对Ti80合金棒材组织和性能的影响

罗锦华1，朱燕丽1,2，孙小平1，陈海生1,2，和永岗1

(1.西部超导材料科技股份有限公司，陕西西安710018)(2.西北工业大学，陕西西安710072)

对不同的热加工工艺及热处理工艺获得的Ti80合金棒材进行了室温力学性能和组织的分析研究。结果表明：Ti80合金棒材精锻时，随着变形量增加室温拉伸性强度逐渐增加，塑性变化不明显，而冲击韧性随着变形量的增加而显著下降；轧制棒材的冲击韧性比相近变形量的精锻棒材略高；室温拉伸性能对热处理温度不敏感，900 ℃及其以上热处理的几乎保持不变；热处理温度对冲击韧性影响较大，(940～980) ℃×75 min/AC的综合力学性能较好。

Ti80钛合金；棒材；热加工工艺；热处理工艺；力学性能

0　引　言

Ti80合金名义成分为Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo，具有较低的密度、合适的强度、良好的塑性、优良的耐腐蚀性和无磁性等特点，被用于深潜器和船舰[1-4]，服役中材料在海水中长期浸泡，且会受海浪及海上漂浮物的冲刷和撞击，承受大的冲击载荷作用[5-6]。因此，实现强度、塑性和冲击韧性的良好匹配，是保障该材料安全使用的关键[7-8]。所以，研究分析热加工工艺和热处理工艺对Ti80合金棒材组织和性能的影响具有重要意义。本研究设计了相关实验，探讨不同的热加工工艺和热处理工艺下Ti80合金棒材组织形态和室温力学性能变化，明确热加工和热处理工艺对Ti80合金棒材组织和性能的影响规律，以期为海洋工程用Ti80合金棒材的工程化生产和应用提供一定的技术支持。

1　实　验

1.1实验材料

实验材料为西部超导材料科技股份有限公司生产的φ95 mm的Ti80合金棒坯，化学成分如表1所示，采用金相法[9-11]测得其相变点为1 015～1 020 ℃。

表1　Ti80合金棒坯的化学成分(w/%)

1.2实验

将φ95 mm的Ti80合金棒坯依据设计的加工方案(见表2)进行热加工。获得的棒材进行热处理(热处理制度为900 ℃×90 min/AC)，热处理后观察显微组织，测试室温拉伸性能和冲击韧性。

表2　Ti80合金棒坯的热加工方案

在φ45 mm的精锻棒上取样，依据表3给出的热处理制度进行不同制度的热处理。热处理后观察显微组织，测试拉伸性能和冲击韧性。

表3　φ45 mm Ti80合金精锻棒热处理方案

在Instron-4507型拉伸实验机上测试拉伸性能。在JB-W300型摆锤式试验机上测试冲击韧性(冲击试样按照GB/T 229切取55 mm×10 mm×10 mm样坯，加工成45°×2 mm的V形缺口试样)。用LEICA MEF4A倒立式金相显微镜观察显微组织，用JSM 6460电子显微镜观察冲击试样断口形貌。拉伸性能和冲击韧性测试每种方案均取3个样，数据为3个样品的平均值。

2　结果与讨论

2.1热加工工艺对棒材性能的影响

图1为不同热加工工艺得到的Ti80合金棒材室温力学性能。从图中可以看出，变形量分别为66%、77%、90%、93%和97%的棒材经900 ℃热处理后，精锻棒的室温抗拉强度随着变形量的增加而提高，变形量为93%时出现峰值，而轧制棒的变形量为97%，但强度却有所下降。屈服强度具有相同的规律。延伸率和断面收缩率的变化不明显，尤其是延伸率几乎是一条水平线。冲击韧性的变化规律与拉伸强度正好相反，精锻棒随着变形量的增加，冲击韧性急剧下降。当变形量为93%时降至最低，而变形量为97%的轧制棒，冲击韧性略高于变形量为93%的精锻棒。出现这种现象与不同热加工工艺制备的Ti80合金棒的组织差异有直接的关系。研究表明，钛合金的微观组织决定力学性能[12-13]。

图1　不同方案加工的Ti80合金棒材室温力学性能Fig.1　Mechanical properties at room temperature of Ti80 bars with different hot working processes

图2为原始态及不同热加工工艺得到的Ti80合金棒材的显微组织。从图中可以看出，Ti80合金棒坯组织由椭球形和短棒状α相与晶间β相组成。经5种加工工艺加工后棒材显微组织均为等轴状[14]，随着变形量的增加，初生α相逐渐细化。细晶强化作用使得棒材抗拉强度和屈服强度逐渐增加(见图1)。方案4得到的精锻棒材组织与方案1、方案2和方案3相比，初生和次生α相含量和形貌均有明显区别，其初生和次生α相明显要细小一些。这种组织不利于冲击功的吸收，会导致冲击韧性值下降，另外方案1到方案4随着变形量的增加，精锻加工时间延长，终锻温度降低，棒材次生相减少，也会导致棒材冲击韧性值降低(见图1)。方案5加工的棒材变形过程为加工量达到97%的轧制变形，变形过程中温升较大，棒材始终保持较高的变形温度，组织中初生α相含量较少而亚稳β相比例增加，故冲击韧性值高于相近变形量的精锻棒材。

图2　不同方案加工的Ti80合金棒材的显微组织Fig.2　Microstructures of Ti80 bars with different hot working processes

综合而言，组织中初生α相含量少的棒材冲击韧性值较高，而拉伸性能差异没有那么明显(见图1方案1、方案2和图2b、2c)，这与冲击微裂纹的形核位置主要集中于初生α相界和α与β相界有关，而且还与次生相的大小、形态有关，故次生相含量越高、越粗大，相应的冲击韧性值越高[15]。

2.2热处理工艺对棒材性能的影响

图3为经不同制度热处理后Ti80合金棒材的室温力学性能。从图中可以看出，随着热处理温度升高，Ti80合金棒材抗拉强度和屈服强度略有降低。在900 ℃及以上热处理的基本保持一致水平，同时延伸率和断面收缩率也没有明显变化。随着热处理温度的升高，棒材冲击韧性值明显提高，在940、960、980 ℃热处理的冲击韧性值较高。

图3　不同制度热处理的Ti80合金棒材室温力学性能Fig.3　Mechanical properties at room temperature of Ti80 bars after different heat treatments

图4为不同制度热处理的Ti80合金棒材的显微组织。由图可知，在940 ℃及以上热处理的棒材均为等轴组织，且随着热处理温度的提高，初生α相明显等轴化，含量逐渐降低。其中940 ℃的等轴化效果较好，故冲击韧性值明显提高。退火温度升高至980 ℃时，形成了双态组织，初生α相含量明显降低。冲击韧性值维持在较高水平(见图3)。

为了研究冷却方式对Ti80合金棒材性能的影响，设计了方案Ⅲ和方案Ⅵ热处理制度，并测试了力学性能，见表4。表4数据显示，采用炉冷+空冷结合的方式获得的棒材拉伸性能与单纯空冷的基本相当，而冲击韧性值却大幅下降。对比图4f与图4c可知，炉冷时，棒材次生α相明显长大并粗化(甚至球化)，组织中的亚稳β相比例急剧降低，从而导致冲击韧性大幅下降。

图4　不同制度热处理的Ti80合金棒材的显微组织Fig.4　Microstructures of Ti80 bars after different heat treatments

表4　热处理温度相同而冷却方式不同的Ti80合金棒材室温力学性能对比

图5为经方案Ⅰ处理的Ti80合金棒材冲击试样断口宏观形貌。从图中可以看出，试样断口表面相对平整，疲劳源区、裂纹扩展区和瞬时断裂区明显。试样缺口处为裂纹源，具有明显的韧性断口特征，是典型的剪切断裂。

图5　方案Ⅰ处理的Ti80棒材冲击试样断口宏观形貌Fig.5　Fracture morphology of Ti80 bars after heat treatment Ⅰ

不同制度热处理的Ti80合金棒材冲击试样断口的SEM照片如图6所示。从图中可以看出，断口均为韧性断裂。冲击韧性检测时，在撕裂应力作用下，材料内部第二相与基体之间界面、晶界、亚晶界等塑性流变不连续位置产生微孔，微孔随应力增大而增大，最后相互连接促成材料完全断裂[16]。图4c～e组织中具有合适的相比，相界面上形成的塑性流变不连续位置少，形成图6c～e较深的韧窝，相比图7a、7b、7f浅韧窝而言，可以承载更大的冲击力，冲击韧性更好。

3　结　论

(1)Ti80合金棒材采用精锻加工时，随着变形量从66%增加到93%，室温拉伸强度逐渐增加，塑性变化不明显，而冲击韧性随着变形量的增加而显著下降；轧制加工的棒材，因变形温降较小，冲击韧性比相近变形量的精锻棒材略高。

图6　不同制度热处理后Ti80合金棒材冲击韧性试样断口SEM照片Fig.6　Fracture morphologies of Ti80 bars after different heat treatments

(2)Ti80合金棒材室温拉伸性能对热处理温度不敏感，在900～980 ℃之间热处理，其强度和塑性曲线几乎保持水平。

(3)热处理温度对Ti80合金棒材冲击韧性影响较大，(940～980) ℃×75 min/AC热处理的，其综合力学性能较好。

[1] 陈军, 赵永庆, 常辉. 中国船用钛合金的研究与发展[J]. 材料导报, 2005,19 (6): 67-70.

[2] 马凡蛟，杜予咺，陈海生，等. 退火工艺对Ti80合金组织和性能的影响[J]. 金属热处理, 2012, 37(4): 88-90.

[3] 石绪忠, 王岳, 余向飞, 等. 船用Ti80合金直流阳极氧化研究[J]. 材料开发与应用, 2010, 25(5): 16-19.

[4] 王松茂, 白新房, 王辉, 等. Ti-80钛合金冲击韧性及力学性能异常原因探析[J]. 西安文理学院学报(自然科学版), 2013, 16(3): 84-87.

[5] 朱铭泳, 张日恒. 船用钛合金微弧氧化-电泳技术研究[J]. 钛工业进展, 2015, 32(3): 30-34.

[6] 黄瑜, 汤慧萍, 贾文鹏, 等. 元素添加方式对Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金性能的影响[J]. 稀有金属材料与工程, 2011, 40(12): 2227-2231.

[7] 文志刚, 王韦琪, 王小翔, 等. 热处理温度对Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金板材显微组织和性能的影响[J]. 中国有色金属学报, 2010，20( 增刊1): 647-649.

[8] 汪汀. Ti-6Al-3Nb-2Zr-0.8Mo合金的焊接性评价[J]. 材料开发与应用, 2003, 18(6): 35-37，42-46.

[9] 田飞, 曾卫东, 马雄, 等. 物理分析法与金相法测定BT25钛合金相变点[J]. 材料热处理学报, 2011, 32(5): 1-5.

[10] 李玉涛, 耿林, 徐斌, 等. TC11钛合金相变点的测定与分析[J]. 稀有金属, 2006, 30(2): 231-235.

[11] 袁满, 曹玉如, 张亚娟, 等. Ti80钛合金相变点的测定[J]. 热加工工艺, 2013, 42(14): 57-59，92.

[12] 赖运金, 张维, 王晓亮, 等. WSTi3515S阻燃钛合金的工程化制备及力学性能研究[J]. 钛工业进展, 2015, 32(6): 13-18.

[13] 贾蔚菊，赵恒章，韩栋，等. 两种Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α型钛合金的性能对比研究[J]. 钛工业进展, 2015, 32 (3): 12-16.

[14] 赖运金. 钛合金片状组织演变机制与球化动力学研究[D]. 西安：西北工业大学，2007.

[15] 于卫敏, 吴跃江, 潘跃进. 锻造温度对BT25钛合金组织和性能的影响[J]. 热处理：2009, 24(4): 36-40.

[16] 陆毅中. 工程断裂力学[M]. 西安：西安交通大学出版社，1987：169-173.

Effects of Hot Working Process and Heat Treatment on Microstructures and Mechanical Properties of Ti80 Alloy Bars

Luo Jinhua1, Zhu Yanli1,2, Sun Xiaoping1, Chen Haisheng1,2, He Yonggang1

(1.Western Superconducting Technologies Co., Ltd.,Xi’an 710018, China)(2.Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072, China)

In this paper, the effects of hot working process and heat treatment on microstructures and mechanical properties of Ti80 bars were investigated. The results show that, tensile properties of the bars increase with the increasing of deformation amount, but the ductility have minus difference. The impact toughness of the bars decrease significantly with the increasing of deformation amount. The impact toughness of rolled bars is slightly higher than forged bars. What’s more, annealing temperature has no obvious effect on the tensile properties at room temperature, but has great influence on impact toughness. When the bars are heat treated with the process of (940～980) ℃×75 min/AC, the ideal combination of the strength, plasticity and impact toughness could got.

Ti80 titanium alloy; hot processing; heat treatment; mechanical properties

2016-02-20

国家国际科技合作专项(2013DFB50180)；陕西省

罗锦华(1964—)，男，高级工程师。

TG146.2+3

A

1009-9964(2016)02-0020-05

科技创新工程项目(2015KTTSG01-08)