鈦合金棒材因其具有優越的性能而逐漸廣泛的應用于不同領域,對促進我國高端科學技術發展奠定了基礎。本文試驗所選用的鈦合金為 Gr.9 合金,屬于 α + β 型鈦合金,該鈦合金具有較低的變形抗力,可以實現冷加工處理,常用于軍工產品領域。鈦合金的性能受軋制溫度影響較大,對鈦合金顯微組織以及性能影響較大。基于此,本文以該類鈦合金為研究對象,通過退火試驗對鈦合金棒材的顯微組織和性能進行研究,為進一步制定更加優越的加工工藝等提供參考。
1 、試驗原材料及過程
本文試驗所用的鈦合金原材料經過兩次真空熔煉后制備成φ220mm 的鈦合金鑄錠,再經過升溫金相法獲得該鈦合金的相變點為 950℃。鈦合金棒材中化學元素成分包括 :Al 元素,含量為3.92%,V 元素含量為 2.38%,Fe 元素含量為 1.49%,C 元素小于0.045%,N 元素小于 0.0067%,H 元素小于 0.0025%,O 元素小于0.25%。將鈦合金鑄錠在 1150℃條件下保溫 3h 后進行鍛造,制作成變形量大于 80% 的中間坯料 ;再經過加熱升溫至 900℃,經過多次鍛造,每火次變形量大于 50%,最終制作成 φ120mm 棒坯,進行制作成 φ50mm 的棒材若干個。將制作成的棒材分解成 4 組實驗樣材,將其置于箱式電阻爐中進行退火試驗,退火溫度控制在 800℃、750℃、700℃和 650℃下保溫 1.5h 后空冷處理。將熱處理后的鈦合金取 1/2 半徑縱向拉伸,制作成試驗樣材 [1]。
2 、試驗結果與分析
2.1 退火溫度對顯微組織的影響
根據試驗結果顯示,在熱加工過程中鈦合金棒材的顯微組織屬于典型的兩相區組織,即 α 相和 β 相,兩相顯微組織均為等軸狀組織。當退火溫度在 650℃左右時,鈦合金棒材的顯微組織與熱加工態相的變化較為明顯,鈦合金棒材顯微組織的球化和均勻性有明顯的改變。隨著退火溫度的持續升高,鈦合金棒材顯微組織中的初生 α 相含量逐漸減少,且初生 α 相晶粒逐漸趨于等軸狀,棒材顯微組織中 β 相和次生 α 相逐漸生長,體積分數逐漸增大。當退火溫度介于 650℃~ 750℃范圍內時,鈦合金棒材的顯微組織變化不大,相對穩定。當退火溫度逐漸升高至800℃時,鈦合金棒材顯微組織中中等軸 α 相晶體呈明顯增大趨勢,局部區域可能出現等軸狀 α 相晶體長大并連接在一起形成塊狀分布的 α相。綜上所述,當退火溫度大于 750℃以后時,鈦合金棒材顯微組織中的初生 α 相出現明顯生長的現象,并且晶體多呈等軸狀分布。因此,該類鈦合金棒材在 700℃~ 750℃時獲得等軸組織相對均勻、晶體大小相對均勻的顯微組織 [2]。
2.2 退火溫度對力學性能的影響
根據退火試驗數據,對不同退火溫度進行了鈦合金棒材力學性能的分析。當退火溫度為 650℃時,鈦合金棒材的抗拉強度為 1013.4MPa,較熱加工態的抗拉強度(1043.5MPa)減少了 30.1MPa ;屈 服 強 度 為 920.4MPa,較 熱 加 工 態 的 屈 服 強 度(950.4MPa)減少了 30.0MPa ;延伸率為 18.5%,較熱加工態的延伸率(16.5%)升高了 2% ;斷面收縮率為 48.5%,較熱加工態的斷面收縮率(46.5%)升高了 2%。當退火溫度為 700℃時,鈦合金棒材的抗拉強度為 998MPa,較熱加工態的抗拉強度減少了45.5MPa ;屈服強度為 917MPa,較熱加工態的屈服強度減少了33.0MPa ;延伸率為 19.3%,較熱加工態的延伸率升高了 2.8% ;斷面收縮率為 49.5%,較熱加工態的斷面收縮率升高了 3.0%。當退火溫度為 750℃時,鈦合金棒材的抗拉強度為 987MPa,較熱加工態的抗拉強度減少了 56.5MPa ;屈服強度為 912MPa,較熱加工態的屈服強度減少了 38.5MPa ;延伸率為 19.0%,較熱加工態的延伸率升高了 2.5% ;斷面收縮率為 52.5%,較熱加工態的斷面收縮率升高了 6.0%。當退火溫度為 800℃時,鈦合金棒材的抗拉強度為 982.5MPa,較熱加工態的抗拉強度減少了 61.5MPa ;屈服強度為 909.5MPa,較熱加工態的屈服強度減少了 41.0MPa ;延伸率為 19.5%,較熱加工態的延伸率升高了 3% ;斷面收縮率為53.0%,較熱加工態的斷面收縮率升高了 6.5%。
由上述統計數據可以得出,當退火溫度在 650℃左右時對鈦合金棒材的抗拉強度和屈服強度影響較大,而對斷面收縮率和延伸率影響較小,其變化范圍在 2% 左右 ;當退火溫度升高至700℃~ 800℃時,鈦合金棒材的抗拉強度和屈服強度變化較小,總體上隨溫度升高略有降低,但總體上變化幅度較小 ;退火溫度持續升高對斷面收縮率影響相對較大,總體上隨退火溫度升高而斷面收縮率逐漸升高 ;退火溫度升高對延伸率影響較小,基本趨于穩定狀態。導致這一現象的原因在于隨著退火溫度的逐漸升高,顯微組織中次生 α 相逐漸被球化、等軸化,而初生 α相逐漸生長,β 相含量逐漸降低,導致鈦合金的強度降低。綜上所述,當退火溫度介于 650℃~ 800℃之間時,雖然鈦合金棒材的拉伸性能等有所差異,但總體上棒材的力學性能均滿足企業要求,充分說明該類鈦合金具有較好的熱加工性能 [3]。
2.3 退火溫度對棒材硬度的影響
本次試驗采用 HVS-10 型數顯小負荷維氏硬度測定實驗組板材的硬度。在數據統計過程中,為了提高數據的真實可靠性,每個樣材中選取 3 個點進行硬度統計,最后求得 3 個數據的平均值代表該樣材的最終硬度。通過實驗結果得出,當鈦合金棒材在熱加工態下經過 650℃退火處理后,鈦合金棒材的硬度明顯降低,鈦合金棒材的硬度僅為 20HV1 左右。當退火溫度從 650℃變化至 800℃時,雖然鈦合金棒材的硬度仍然呈下降趨勢,但是硬度下降幅度明顯降低,隨著溫度的升高基本趨于穩定。當退火溫度為 750℃和 800℃時,二者所對應溫度的硬度變化之差小于3。當退火溫度介于 700℃~ 750℃時,鈦合金棒材的硬度穩定性較好,總體上鈦合金棒材的硬度介于 320HV1 ~ 340HV1 之間。
與企業所需產品要求對比,得出退火溫度介于 700℃~ 750℃時所生產的鈦合金棒材的硬度滿足企業要求。綜上所述,退火溫度對鈦合金棒材的硬度影響較大,綜合考慮后認為退火溫度為700℃~ 750℃時所生產的產品硬度滿足要求。
3、 結語
綜上所述,鈦合金棒材屬于 α + β 型鈦合金,為典型的兩相區組織。隨著退火溫度的逐漸升高,次生 α 相逐漸生長,晶粒等軸化、球化明顯,在 700℃~ 750℃時獲得等軸組織相對均勻、晶體大小相對均勻的顯微組織 ;當退火溫度介于 650℃~ 800℃之間時,雖然鈦合金棒材的拉伸性能等有所差異,但總體上棒材的力學性能均滿足企業要求,充分說明該類鈦合金具有較好的熱加工性能 ;綜合考慮后認為退火溫度為 700℃~ 750℃時所生產的產品硬度滿足要求 [4]。
參考文獻
[1]沈立華 , 韓偉松 , 朱寶輝 , 等 . 退火溫度對 ATI425 鈦合金棒材組織與性能的影響 [J]. 稀有金屬與硬質合金 ,2020,48(01):47-50.
[2]孫虎代 , 王田 , 陶海林 , 等 . 軋制溫度及退火溫度對 TA5 鈦合金棒材組織和性能的影響 [J]. 中國鈦業 ,2017(04):40-43.
[3]劉廣發 , 張衡 , 毛友川 , 等 . 軋制溫度對 IMI550 鈦合金棒材組織和力學性能的影響 [J]. 材料開發與應用 ,2015,30(02):42-47.
[4]王麗瑛 , 魏壽庸 , 高博 , 等 . 退火制度對 TC25 鈦合金棒材組織和力學性能的影響 [J]. 鈦工業進展 ,2011,28(02):36-38.
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