时效处理对钛合金棒材组织及性能的影响

陈 肖，杨碧芸，雷 杨

（西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201）

Gr.23钛合金具有较好的力学性能、耐热性能、耐腐蚀性能、优越的抗氧化性能和较好的焊接等能力而被广泛的应用于不同领域，尤其是航空航天科技以及其他尖端科学技术领域，对我国科技发展及科技强国具有重要的促进意义。钛合金棒材的优越性能离不开棒材的锻造工艺和实效热处理[1，2]，不同的生产工艺对钛合金的显微组织和性能影响差异较大，虽然我国在钛合金制作工艺以及应用方面取得了较好的成果，但随着社会发展及科学技术的进步，对性能更好、稳定的钛合金棒材需求量更大。因此，为了寻求综合性能良好的钛合金棒材就必须研究实效热处理对钛合金棒材组织和性能的影响，进而确定出最优性能产品的生产工艺。基于此，本文以钛合金棒材为研究对象，分析实效处理对钛合金棒材组织及性能额影响，为制定锻造工艺提供支撑。

1 试验原材料及过程

本文所选用的试验材料包括Gr.23钛合金铸锭，对试验样材经过锻造处理制成φ50mm的钛合金棒材若干个，试验过程中通过改变实效制度对该棒材进行组织及性能影响研究。在试验开始之前，分别对制备好的同一类钛合金棒材进行1h固溶处理，温度分别为650℃、700℃、750℃，再优选出固溶温度最佳的棒材进行时效处理，设置时效温度为450℃和500℃，时效时间为24、20、16、12、8h，空冷后观察钛合金棒材的显微组织以及性能变化规律，着重对Gr.23钛合金的显微组织和拉伸性能进行了分析，为制定更加优越的锻造工艺提供一套可靠的数据支撑。

2 试验结果与分析

2.1 固溶温度对棒材显微组织的影响

将制备好的Gr.23钛合金棒材分别在650℃、700℃、750℃温度下处理1h后空冷固溶处理，进行固溶温度试验。结果表明：随着固溶温度的升高，β钛合金随之升高，且初生α相由颗粒状转变为短棒状或者条状，直至全部转变为β相。在650℃和700℃条件下，棒材固溶不完全，因此晶粒未发现完全再结晶，即在β相中混合了较多的α相，随着固溶温度的持续升高，α相含量逐渐降低；当固溶温度持续上升至750℃时，晶粒发生了完全再结晶，α相基本完全转变为β相，β晶粒呈近等轴状，此时棒材的固溶效果最好。因此，在做进一步时效处理时采用750℃固溶处理，目的在于充分的固溶可以促进α相的完全析出，对钛合金棒材起明显的强化作用。

2.2 时效制度对棒材显微组织的影响

根据上文固溶温度试验结果，本文选择750℃×1h作为本次试验的固溶制度，进行时效试验。分别在450℃和500℃条件下保温24、20、16、12、8h后空冷进行显微组织观察。试验结果表明：在500℃条件下保温8h和12h的时效处理后，含有少量的α相，随着时效时间的持续增长，α相析出量略有增加，显微组织中以大量的β相；当时效温度较高时，理论析出温度与实际时效温度差值（过冷度）相对较小，导致形核驱动力小，使得α相不容易形核；当时效时间持续增长时，早期已经形核的α相逐渐长大，局部区域形成黑斑；总体而言，在500℃的温度下进行时效试验，棒材中的α相未能完全析出，棒材的显微硬度较低。在450℃条件下保温8h和12h的时效处理后，显微照片中呈现出大量弥散的α相晶粒，随着时效时间的持续增长，钛合金棒材中析出的α相逐渐长大并呈黑色斑块状；当时效温度逐渐降低时，由于时效温度过冷度较大，导致晶体形核驱动力明显增大，使得α相更加容易形核[3，4]；随着时效时间增加，α相不仅从晶界析出，而且在晶内也大量析出；总体上，在450℃温度条件下进行时效试验时，钛合金棒材中的α相析出较为充分，并且在时效时间为20h时，棒材的显微硬度最大。

2.3 时效制度对棒材性能的影响

根据上文固溶温度试验和显微组织试验结果，选择750℃×1h+450℃×20h和750℃×1h+500℃×20h两种条件下进行钛合金棒材的拉伸性能试验。试验结果显示：500℃时效后行钛合金棒材的强度降低了40%左右；在450℃条件下进行时效试验时，棒材中弥散有大量的α相晶粒析出，直至时效时间为20h后析出的α相明显长大，对钛合金棒材起到了明显的强化作用，此时Gr.36钛合金棒材的强度明显升高，棒材的塑性性能较低，总体上钛合金棒材的性能满足企业生产要求；在500℃条件下进行时效试验时，钛合金棒材中的α相未能完全析出，棒材的显微照片中以β相为主导地位，此时钛合金棒材的强化效果较差，但棒材的塑性相对较高。综上所述，在750℃×1h+450℃×20h条件下Gr.23钛合金棒材的显微组织与性能具有较好的匹配性，因此在该条件下生产的钛合金棒材具有更优越的性能。

3 结束语

综上所述，Gr.23钛合金的应用对现代化科学技术的发展有积极的促进作用，性能更加优越的钛合金棒材在高科技发展领域具有广阔的应用前景。本文分别在不同的时效条件下对钛合金棒材进行了固溶温度和实效制度试验，试验结果得出在750℃×1h条件下进行固溶处理后钛合金棒材固溶效果最佳，在750℃×1h+450℃×20h条件下进行固溶实效处理后，Gr.23钛合金棒材的显微组织与性能具有较好的匹配性，所生产的钛合金棒材性能更加优越。通过本文的研究表明，不同钛合金在不同固溶温度和实效制度下所呈现的显微组织和性能差异较大，物理力学性能差异明显。因此，针对不同用途要求的棒材需进行针对性的试验，以便于确保生产的棒材综合性能最优。