退火温度对TA6 合金棒材组织与性能的影响

文／王少阳，张雪敏，田程，张博，李巍，段晓辉·宝鸡钛业股份有限公司

TA6(Ti-5Al)钛合金是一种全α 型钛-铝二元系合金，含有5%铝。因具有良好的焊接性、耐蚀性，在退火状态下具有中等强度和足够好的塑性，具有较高的蠕变强度，适用于在 400℃以下和存在浸蚀介质的环境下工作，大多用于制造航空部门的高温结构部件、导弹弹头蒙皮及常规武器装备的结构件及焊接件。该合金虽然有上述优点，但是成形工艺可塑性较差，在生产中，对变形温度极为敏感，热加工窗口狭窄，热加工过程中表面极易开裂，加工难度较大。

目前，国内外对该合金的报道较少，只有少数钛合金加工厂家生产TA6 合金板材。但是作为一种良好的焊接零件用钛合金材料，TA6 钛合金棒材的应用极为广泛。本文通过研究不同退火温度对TA6 合金棒材组织和性能的影响，优化其最佳的热处理制度，为工业生产提供工艺指导。

试验材料及方法

本文试验所用材料为宝鸡钛业股份有限公司采用2 次真空自耗电弧炉熔炼的TA6 钛合金φ720mm铸锭，其主要化学成分见表1。经金相法测定其相变点为1023℃，铸锭经开坯锻造、中间锻造、成品锻造，通过充分的变形，使原始晶粒完全破碎。采取逐级降温的加热方式，经过2500t 锻压机多火次锻造及SXP-13 径向锻造机的锻造，生产出规格为φ75mm的成品棒材。

表1 TA6 合金铸锭的化学成分(%)

在成品棒材上切取试样坯，按照表2 的热处理方案进行热处理试验，热处理在箱式电阻炉中进行，按照国标加工成标准拉伸试样、冲击试样，测试其室温拉伸性能及冲击性能，同时采用Axiovert 200MAT光学显微镜观察不同热处理制度下的显微组织变化。

表2 TA6 钛合金棒材的热处理方案

试验结果与分析

退火制度对组织的影响

TA6 棒材不同部位的显微组织如图1 所示，由图可见，经过多火次的变形，原始β 晶粒得到充分的破碎，经过回复再结晶，棒材边部和心部的锻态组织差异不大，均为均匀分布的α 组织。但是，φ75mm棒材的成形工艺采用的是精锻成形，变形速度快，一次变形量小，棒材表面变形量大，而心部变形量相对较小，导致棒材边部和心部的再结晶程度不同，棒材表面可完全再结晶，形成细小均匀晶粒，心部再结晶不完全，个别晶粒处于被拉伸，被破碎的不稳定状态，因此心部的晶粒较边部略大，也存在个别拉长，等轴化程度不高的晶粒。同时，变形后由于棒材表面和心部的冷却速率不同，会导致心部晶粒长大。

图1 TA6 钛合金φ75mm 棒材横向R 态显微组织

图2 为TA6 棒材不同退火温度下的显微组织，由图可以看出，合金经过热处理后，组织形貌及类型较锻态组织无明显区别，均为等轴α 组织。但是随着退火温度的不同，棒材α 相的均匀性有所不同，同时α 相尺寸略有不同：在750℃和775℃下退火后的显微组织均匀性较差，显微组织中仍存在拉长α与等轴α 交错分布；当退火温度升高至800℃时，α 相等轴化较好，且晶粒尺寸细小，均匀分布；当退火温度升高至825℃和850℃时，α 相晶粒尺寸逐渐长大，由于锻造后储存的畸变能不同，导致个别晶粒在较高温度下退火时，晶粒发生再结晶后长大的尺寸不同，导致整个视场内晶粒分布的不均匀性。

图2 TA6 钛合金φ75mm 棒材不同退火制度下的显微组织

退火制度对力学性能的影响

⑴退火制度对室温拉伸性能的影响。

TA6 钛合金常用退火温度范围为750 ～850℃。本节研究在常用退火温度范围内，不同温度对其室温拉伸性能的影响。图3 是TA6 钛合金不同退火制度下的力学性能，由图可以看出，随着退火温度由750℃升高到800℃，抗拉强度和屈服强度呈现相同规律，即随着温度的升高，强度升高；当退火温度继续由800℃升高到850℃，随着温度的升高，强度呈现下降趋势。而断后伸长率和断面收缩率随着退火温度由750℃升高到800℃，基本变化不大；当退火温度由800℃升高到850℃时，断后伸长率和断面收缩率均有明显提升。塑性的变化规律与强度变化相对应，符合材料强塑性变化规律。室温拉伸性能的变化与显微组织密切相关，退火温度在800℃时，等轴α 相均匀细小分布，起到细晶强化作用。同时断后伸长率是反映材料能够承受塑性变形能力和加工硬化程度的指标，反映出材料的均匀变形程度。

图3 不同退火温度对TA6 钛合金室温拉伸性能的影响

⑵退火制度对室温冲击性能的影响。

为研究TA6 钛合金对缺口的敏感性，本小节研究了TA6 钛合金在不同退火温度下对冲击性能的影响。图4 为不同退火温度下合金的冲击性能，由图可以看出，退火温度由750℃升高到800℃时，合金的冲击吸收功基本不变，保持一定水平，可达到51.5J；当退火温度由800℃升高到850℃时，合金的冲击吸收功明显增加，可达63J。这一变化规律与该合金在不同退火温度下的显微组织相对应，退火温度在825℃和850℃时，由于α 相尺寸长大程度不同，造成个别晶粒较大，细小晶粒与长大的不规则晶粒交错在一起，当在缺口根部由于受到较大冲击力，同时，冲击加载在缺口根部形成很高的应变速率，增加了裂纹的扩展与断裂的瞬间选择性，因此在退火温度较高的情况下，其冲击性能较高。对于中强度TA6 合金，其冲击性能在很宽的工程应用温度范围内都很高。

图4 退火温度对TA6 合金冲击性能的影响

结束语

⑴TA6 钛合金显微组织随着退火温度的升高，α 相的均匀性及等轴化程度提高，当退火温度超过800℃时，晶粒尺寸有长大趋势。

⑵TA6 钛合金棒材的强度随着退火温度的升高呈现先升高后降低的趋势，塑韧性变化趋势与之相反，退火温度为800℃时，为性能的转折点，该温度下强塑性匹配最佳。

⑶退火温度由750℃升高到800℃时，TA6 钛合金的冲击吸收功基本不变，当退火温度由800℃升高到850℃时，合金的冲击吸收功明显增加。