成形及退火溫度對艦船用TA5鈦合金棒顯微組織和力學(xué)性能的影響

TA5鈦合金是一種中強全α型鈦合金，名義成分為Ti-4Al-0.005Ｂ，具有良好的焊接性和耐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于艦船煙囪蒙皮、桅桿等零部件[1，2]。 試驗通過設(shè)計不同的成形溫度及熱處理制度獲得了不同的顯微組織形貌，研究分析了顯微組織對TA5鈦合金室溫力學(xué)性能的影響。

1、試驗材料與方法

試驗用材料為西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的Φ150ｍｍTA5鈦合金棒材，相變點為100６℃。

試驗用原材料在ＳＸ-1６精鍛機上制備出Φ83ｍｍTA5鈦合金棒材，隨后進行熱處理，成形溫度及熱處理制度見表1；最終在棒材頭部切取金相與室溫拉伸試樣進行測試。

顯示金相組織所用腐蝕劑為10％ＨＦ＋40％ＨＮＯ₃＋50％Ｈ₂Ｏ，腐蝕后在Ｓｔｅｍｉ2000型顯微鏡下進行組織觀察；室溫拉伸試樣按GB/T 22８-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》加工成Φ5ｍｍ的標準試樣并在1185型材料試驗機上進行靜態(tài)室溫拉伸試驗。

2、試驗結(jié)果及討論

2.1不同工藝路線下成品棒材組織

2.1.1成形溫度對棒材組織的影響

不同成形溫度下成品棒材經(jīng)８50℃保溫2h，空冷后的顯微組織形貌如圖1所示。

由圖1可以看出，兩種成形溫度下退火態(tài)均為等軸組織，但組織細節(jié)存在明顯差別。1＃試樣存在明顯的晶界析出物且晶內(nèi)分布有沿特定方向析出的點狀析出物，4＃試樣以晶內(nèi)點狀析出物為主，伴隨少量晶界析出物。鈦合金中β→α相轉(zhuǎn)變屬于體心立方向密排六方的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，兩相之間滿足伯格斯關(guān)系：（110）β／／（0002）α，[1-11]β／／[11-20]β。通常情況下，在上述相轉(zhuǎn)變的過程中α相的生長總是沿著某一特定方向進行，形成“片狀”微結(jié)構(gòu)。TA5鈦合金中存在微量Ｆｅ元素，該元素在α相中固溶度很小，因此伴隨片狀α相的生長，F(xiàn)e元素會析出并降低附近區(qū)域的相變點，從而形成沿特定方向析出的點狀β相，如1＃試樣所示。對于Ｔβ之下成形棒材，原有的條狀β相會歷經(jīng)變形，破壞原有流線結(jié)構(gòu)，并伴隨退火過程中α相再結(jié)晶形成無流線分布的點狀形態(tài)，如4＃試樣所示。

2.1.2退火溫度對棒材組織的影響

圖2為相變點之下成形棒材經(jīng)不同退火溫度退火的顯微組織形貌。

由圖2可以看出，經(jīng)７00℃保溫2ｈ后的顯微組織為拉長的條狀α相，說明此時再結(jié)晶未充分進行；當(dāng)退火溫度升至８00℃時，組織內(nèi)部已出現(xiàn)等軸狀的再結(jié)晶結(jié)構(gòu)，但仍保留部分拉長的條狀α相；隨著退火溫度的進一步升高，組織已經(jīng)完全轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶粒，且晶粒發(fā)生了明顯的長大。

退火溫度越高，再結(jié)晶過程驅(qū)動力越大，原子擴散速率越快，致使再結(jié)晶體積分數(shù)上升、再結(jié)晶后晶粒尺寸增大。

2.2不同工藝路線下棒材力學(xué)性能

2.2.1成形溫度對棒材力學(xué)性能的影響

不同成形溫度下TA5棒材的室溫拉伸性能見表2。由表2可以看出，相比于Ｔ_β之上成形棒材，Ｔ_β之下成形有利于材料的塑性，但會降低材料的強度。

由圖1可知，Ｔ_β之上成形時，會形成伴隨有沿某特定方向分布的點狀β相的等軸組織，這種β相分布形態(tài)會將原有的等軸晶粒割裂成幾個小的“條狀區(qū)域”，一方面降低了有效滑移長度，導(dǎo)致強度增加，另一方面降低了材料的變形協(xié)調(diào)性，導(dǎo)致材料塑性下降。

2.2.2退火溫度對棒材力學(xué)性能的影響

退火溫度對TA5鈦合金棒材的室溫拉伸性能如圖3所示。由圖3可以看出，隨退火溫度的上升，材料呈現(xiàn)強度降低、塑性上升的趨勢。

一方面隨著退火溫度的上升，再結(jié)晶體積分數(shù)上升，降低了加工產(chǎn)生的“加工硬化”效果；且隨著等軸晶粒數(shù)量增多、材料的變形協(xié)調(diào)性增加，改善了材料的塑性。另一方面，晶 粒尺寸的增大導(dǎo)致材料內(nèi)部相界面減少，對于位錯的釘扎作用減弱，造成材料強度的下降。

3、結(jié)論

1）兩種成形溫度下棒材退火態(tài)均為等軸組織，但組織細節(jié)存在明顯差別。Ｔ_β之上成形的棒材組織存在明顯的晶界析出物且晶內(nèi)分布有沿特定方向析出的點狀析出物；Ｔ_β之下成形的棒材組織以晶內(nèi)點狀析出物為主，伴隨少量晶界析出物，且隨著退火溫度的升高，再結(jié)晶體積分數(shù)升高，晶粒尺寸增大。

2）相比于Ｔ_β之上成形棒材，Ｔ_β之下成形有利于材料的塑性，但會降低材料的強度；隨退火溫度的上升，材料呈現(xiàn)強度降低、塑性上升的趨勢。

參考文獻：

[1]郝曉博，張強，陶會發(fā)，等.軋制工藝對TA5鈦合金薄板組織與性能的影響[Ｊ].熱加工工藝，201９，4８（1９）：11９-120，123.

[2]何書林，馮永琦，王永強，等.TA5鈦合金組織對鍛件性能的影響[Ｊ].金屬學(xué)報，2002，3８（Ｚ1）：204-205.