退火溫度對TA5鈦合金厚板顯微組織和拉伸性能的影響

引言

鈦及其合金具有比強度高、耐熱、耐蝕性好等特點，廣泛應用于航空航天、化工、海洋工程等領域。TA5鈦合金是全α相鈦合金，名義成分為Ti-4Al-0.005B，強度中等、塑性較差，但焊接性能和耐蝕性能優(yōu)良，廣泛應用于船舶制造。隨著我國船舶工業(yè)的發(fā)展，TA5鈦合金厚板的用量增加、性能要求更高。目前對TA5鈦合金的研究主要是棒材和鍛件的變形工藝和熱處理工藝，對寬幅厚板的熱處理工藝研究較少。本文對TA5鈦合金厚板進行不同溫度的退火處理，研究退火溫度對其顯微組織和室溫拉伸性能的影響，為批量生產提供依據。

1、試驗材料和方法

試驗材料：試驗用TA5鈦合金經3次真空自耗電弧爐熔煉，鑄錠直徑為720mm，化學成分（質量分數）為4.4%~4.5%Al、0.004%~0.005%B、0.23%~0.24%Fe、0.11%~0.13%O、0.006%~0.007%C和<0.001%H。鑄錠在Tβ以上溫度多火次開坯、繳拔、鍛造成350mm厚板坯，再在Tβ以下溫度一火次軋制成65mm×2300mm×L板材，板的熱軋態(tài)顯微組織主要為拉長、扭曲的α相及在熱塑性變形過程中因動態(tài)再結晶而產生的少量細小等軸狀α相。

退火工藝：采用6種不同的退火工藝，具體如下表1所示：

性能檢測：從65mm厚板上取樣，按上述工藝進行退火，隨后按GJB944—2018《艦船用鈦及鈦合金板材規(guī)范》要求制備標準試樣，分別采用ZEISSAxioskop2MAT型金相顯微鏡和INSTRON電子式萬能拉伸試驗機進行金相檢驗和拉伸試驗。

2、結果與分析

退火溫度對顯微組織的影響：不同溫度退火后TA5鈦合金板的α相從拉長、扭曲狀變?yōu)榈容S狀。700℃退火的板，拉長的α相晶界有大量細小的再結晶晶粒；750℃退火的板，α相晶界的細小再結晶晶粒明顯長大，且在拉長的α相晶粒內也出現重結晶晶粒；800℃退火的板，受壓拉長的α相晶粒已完全再結晶，呈等軸狀；隨退火溫度升高，α相晶粒仍呈等軸狀，但尺寸明顯長大。

退火溫度對拉伸性能的影響：不同溫度退火的TA5合金板的室溫拉伸性能如下表2所示：

隨著退火溫度的升高，TA5合金板抗拉強度和屈服強度約下降60MPa，斷后伸長率和斷面收縮率先升高后下降。800~850℃退火的板強度和塑性最佳，這與形變的拉長α相晶粒再結晶程度有關。因TA5合金板經軋制后的再結晶溫度約為800℃，當退火溫度低于800℃時，主要發(fā)生回復過程，隨退火溫度升高，材料的回復軟化越明顯；在800~850℃退火的板主要發(fā)生再結晶，形成細小的等軸晶粒，塑性改善；950℃退火的板α相晶粒長大，應力集中更易在晶界發(fā)生，從而降低材料的強度和塑性。

3、結論

退火后，TA5鈦合金板α相形貌從拉長、扭曲狀向等軸狀轉變，在800℃左右完成再結晶，并隨著退火溫度的提高，再結晶晶粒明顯長大。

隨著退火溫度的升高，TA5合金板的室溫抗拉強度和屈服強度明顯下降，而斷后伸長率和斷面收縮率先升高后下降，在800~850℃退火的板強塑性最佳。

參考文獻

[1]稀有金屬材料加工手冊編寫組。稀有金屬材料加工手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1984.

[2]赫曉博，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.

[3]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].金屬學報，2002,38(增刊1):204-205.

[4]陳軍，趙永慶，常輝。中國船用鈦合金的研究和發(fā)展[J].材料導報，2005,19(6):67-70.

[5]孫浩.TA10鈦合金熱壓縮變形行為及組織演變研究[D].洛陽：河南科技大學，2018.

[6] KADKHODAPOUR J, SCHMAUDER S, RAABE D, et al. Experimental and numerical study on geometrically necessary dislocations and non-homogeneous mechanical properties of the ferrite phase in dual phase steels [J]. Acta Materialia, 2011, 59 (11): 4387-4394.