热变形温度对Ti80钛合金显微组织和力学性能的影响

姚 川，郭 凯，孟 康，缪 顿

(燕山大学材料科学与工程学院，河北 秦皇岛 066044)

1 前 言

Ti80钛合金是一种近α型钛合金[1]，具有稳定的微观组织、良好的塑性、适中的强度、高的抗海水腐蚀性和无磁性等一系列优良的性能，是理想的海洋环境中可使用的材料[2]。Ti80钛合金主要被加工成各种结构件，应用在潜水器、船舶和海洋石油开采等领域[3]。经过不同的热加工工艺加工Ti80钛合金可以获得不同的微观组织，而合金的显微组织取决于变形温度、应变速率、压下量等热加工参数[4]。本研究主要讨论不同的变形温度对于Ti80钛合金显微组织和力学性能的影响规律，希望为Ti80钛合金热加工工艺的制定提供参考。

2 实验方法

该实验采用的材料是锻态Ti80钛合金，是一种综合性能优异的近α型钛合金。该合金的名义合金成分为Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo，将原料按照一定的配比均匀地加入真空自耗电弧炉，经过3次熔炼，然后进行锻造，得到锻态的钛合金。取Φ15 mm×80 mm的圆柱，在Gleeble-3500热模拟试验机上进行恒应变速率热压缩实验。用金相法测定Ti80的相变点约为980 ℃，根据相变点选定的热变形温度分别为900，950和1000 ℃。试样以5 ℃/s加热到热变形温度，保温5 min，以0.1 s-1的应变速率进行热压缩，变形量为60%，热压缩完后以2 ℃/s的冷速冷却到室温。

热变形后，在试样上取金相试样、冲击试样和拉伸试样。沿着热变形方向取金相试样，依次使用320#、600#、800#、1000#、1500#、2000#、3000#、4000#砂纸进行打磨，用SiO2悬浊液机械抛光，用V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O) = 1∶5∶50的腐蚀液进行腐蚀[5]，在Axiovert200 MAT金相显微镜下观察其组织。将变形后的试样在垂直于轴线方向切开，取2个厚度为1 mm的薄片，拉伸试样的取样位置和微拉伸试样尺寸如图1所示。冲击试样依照 GB/T 229-2007 加工成为10 mm×10 mm×55 mm，开V型缺口，在-10 ℃下用PTM2000金属摆锤式冲击试验机进行夏比冲击试验。

3 结果与分析

3.1 变形温度对Ti80合金组织的影响

3种热变形温度变形后获得的Ti80钛合金的显微组织如图2所示。在900 ℃变形以后，Ti80钛合金试样的组织为等轴组织，其典型特征是在转变β基体上分布着数量众多的等轴α相(图2b)。在950 ℃变形以后，显微组织为混合组织，其特征为β基体上分布着少量的等轴α相(图2c)。等轴α相的数量明显减少，这是因为随着温度的升高，溶质原子的扩散速率加快，α相向β相的转变增多。在1000 ℃变形以后，合金的显微组织为片层组织(图2d)。这种微观组织是钛合金在β相区热变形后经过冷却后发生β→β+α相转变、析出形成的。

图2 不同温度变形后的Ti80合金的显微组织Fig.2 Microstructures of Ti80 alloys deformed at different temperatures: (a)forged,(b) 900 ℃,(c) 950 ℃,(d) 1000 ℃

3.2 变形温度对Ti80合金冲击吸收功的影响

对不同温度变形后的Ti80钛合金试样进行夏比冲击试验，结果如表1所示。结果表明，1000 ℃变形后合金的韧性较好，950 ℃次之，900 ℃变形后韧性最差。片层组织的韧性最好，韧性的差异主要与裂纹扩展路径和曲折程度有关[7]。900 ℃热变形后的组织主要为等轴组织，裂纹能平直地穿过等轴组织；1000 ℃热变形后组织主要是片层α相，裂纹不能直接扩展，只能沿着α/β相界面扩展或穿过α集束。当主裂纹扩展方向与α集束位向相近时，裂纹穿过α片；若主裂纹扩展方向与α集束位向差别很大时，裂纹穿过集束，但裂纹扩展至集束边界，将产生停滞效应或被迫改变方向。层片α相和α集束不断改变裂纹的扩展方向，使得扩展路径变得曲折，裂纹扩展的路径越曲折，需要的能量就越多，韧性就越好[8]。

表1不同变形温度变形后试样的冲击韧性

Table1ImpacttoughnessofTi80alloyspecimensdeformedatdifferenttemperatures

Deformation temperature/℃9009501000Impact absorption energy/J54.257.365.1

3.3 变形温度对Ti80合金强度和塑性的影响

对不同温度变形的Ti80钛合金试样进行拉伸试验，结果如图3和图4所示。结果表明，不同变形温度下的Ti80钛合金的强度相差不大。这是因为等轴α相的含量对室温强度无明显影响[9]。从塑性来看，900 ℃变形的钛合金塑性较好，950 ℃热变形的钛合金塑性次之，1000 ℃热变形的钛合金塑性较差。这是因为钛合金的等轴组织和片层组织在拉伸时两者的变形机理不同[10]。等轴组织在拉伸变形时，其中的一部分α相先开始滑移，随着变形程度的增加，滑移的α相越来越多，并开始向周围的β相扩展，滑移带间距小，晶界处位错塞积应力小。因而推迟了空洞的形核和发展，断裂前变形量更大，因此其塑性更好。片层组织在拉伸变形时，其组织中同一α集束具有相同的惯习面，位错能毫无阻碍地穿过相互平行的α集束，由于垂直的滑移距离长，在拉伸变形的早期就出现了粗滑移带和微区不均匀变形，促进了空洞的形成和发展，导致其塑性较差。950 ℃变形得到的组织为混合组织，其组织有等轴α相和片层α相。在拉伸变形时，其组织中既有等轴α相的滑移，也有片层α相的滑移，使得混合组织的塑性介于等轴组织和片层组织之间[11]。

图3 不同温度变形后的Ti80合金的拉伸强度Fig.3 Tensile strength of Ti80 alloys deformed at different deformation temperatures

图4 不同温度变形后的Ti80合金的塑性Fig.4 Ductility of Ti80 alloys deformed at different deformation temperatures

4 结 论

(1)Ti80钛合金在900，950和1000 ℃变形后，得到的钛合金组织分别为等轴组织、混合组织和片层组织。

(2)3种变形温度变形后的Ti80钛合金室温强度差别不大，塑性和冲击韧性差别较大。1000 ℃变形后的冲击韧性较好，900 ℃变形后的塑性较高，950 ℃变形后的综合力学性能最好。