熱處理溫度對(duì)TA7鈦合金板材組織與力學(xué)性能的影響

TA7鈦合金的名義化學(xué)成分為 Ti-5Al-2.5Sn，是一種中等強(qiáng)度的 α 型單相鈦合金，具有比強(qiáng)度高、焊接性能好、耐低溫性優(yōu)良、斷裂韌性高和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，可長(zhǎng)期在 500 ℃工作，被廣泛用作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)鍛件、機(jī)匣殼體及飛機(jī)蒙皮等 [1-4] 。

TA7鈦合金板材生產(chǎn)過(guò)程中，由于軋制變形抗力大，加工塑性差，板材邊部經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生大量裂紋，因而研究人員進(jìn)行了大量關(guān)于改善TA7鈦合金塑性的研究。龐洪等 [5]研究了不同軋制工藝對(duì) TA7鈦合金板材組織及力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用包覆疊軋工藝生產(chǎn)的 TA7鈦合金板材組織細(xì)小、均勻，具有比冷軋工藝更好的深沖性及較高的成品率；王韋琪等 [6] 研究了 Fe 元素對(duì) TA7鈦合金工藝特性及低倍組織、力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)加入適量的 Fe 元素可以降低相變點(diǎn)，改善 TA7鈦合金熱加工及冷加工工藝塑性，降低熱加工及冷加工開(kāi)裂傾向；邢秋麗等 [1] 研究了軋制工藝對(duì) TA7鈦合金板材外觀、力學(xué)性能和組織的影響，發(fā)現(xiàn)在高溫下進(jìn)行一火軋制可以明顯減少裂紋；周玉川等 [7] 研究了軋制工藝對(duì) TA7鈦合金板材表面開(kāi)裂的影響，發(fā)現(xiàn)采用溫軋代替冷軋，可以有效防止板材表面開(kāi)裂。

包覆疊軋工藝是一種加工鈦合金薄板的有效手段 [8] 。

近年來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)利用該工藝生產(chǎn) TA7鈦合金板材，通過(guò)熱軋直接軋制成成品，可以有效簡(jiǎn)化工藝，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本 [9] 。但是，目前鮮有關(guān)于包覆疊軋 TA7鈦合金成品板材熱處理研究的報(bào)道。為此，本研究以包覆疊軋工藝生產(chǎn)的 TA7鈦合金熱加工態(tài)板材為原材料，對(duì)其進(jìn)行不同溫度的熱處理，分析熱加工態(tài)和熱處理后板材組織和性能的差異，建立熱處理–組織–性能的關(guān)系，以期為 TA7鈦合金板材工業(yè)化生產(chǎn)中熱處理工藝的制定提供參考。

1、 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為采用包覆疊軋工藝生產(chǎn)的 1.0 mm 厚TA7鈦合金熱加工態(tài)板材，金相法測(cè)定相變點(diǎn)為1010 ℃，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。采用輥底式電加熱爐對(duì)TA7鈦合金板材進(jìn)行熱處理，熱處理溫度分別為 750、800、850 ℃，保溫時(shí)間均為 30 min，冷卻方式均為空冷。

從熱加工態(tài)和經(jīng)不同溫度熱處理后的 TA7鈦合金板材上分別切取橫向（T）、縱向（L）試樣，進(jìn)行顯微組織觀察以及室溫力學(xué)性能、彎曲性能及高溫力學(xué)性能檢測(cè)。金相試樣在腐蝕液（10 mL HF+25 mL HNO 3 +60 mLC 3 H 8 O 3 ＋20 mL H 2 O）中浸蝕 7 s 后，按照 GB/T 5168—2020 標(biāo)準(zhǔn)在 AXIOVERT 200MAT 金相顯微鏡下進(jìn)行組織觀察；按照 GB/T 228.1—2010 標(biāo)準(zhǔn)在 INSTRON5885 電子萬(wàn)能材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試室溫拉伸性能；按照GB/T 232—2010標(biāo)準(zhǔn)在TC-12-029彎曲機(jī)上測(cè)試彎曲性能，彎曲壓頭直徑為 3 mm；按照 GB/T 228.2—2015標(biāo)準(zhǔn)在 TSE105D-Z 高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試高溫拉伸性能；分別在 350 ℃/440 MPa 和 500 ℃/195 MPa 條件下，按照GB/T 2039—2012標(biāo)準(zhǔn)在RD-50微控電子式蠕變持久試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試高溫持久性能，測(cè)試時(shí)間 121 h（GJB2505A—2018 標(biāo)準(zhǔn)要求不少于 100 h）。

2 、結(jié)果與分析

2.1 熱處理溫度對(duì)顯微組織的影響

圖1為熱加工態(tài)TA7鈦合金板材橫向與縱向的顯微組織。從圖 1 可以看出，熱加工態(tài)板材橫向存在不均勻組織（圖 1a），縱向有較多拉長(zhǎng) α 晶粒和少量等軸 α 晶粒（圖 1b），這是由于板材在熱軋過(guò)程中，硬化和軟化同時(shí)出現(xiàn)，熱軋后縱向組織呈拉長(zhǎng)狀，靜態(tài)再結(jié)晶不完全所導(dǎo)致的。

圖 1 熱加工態(tài) TA7 鈦合金板材橫向與縱向顯微組織

Fig.1 Microstructures of TA7 titanium alloy sheet in hot working state: (a) transverse; (b) longitudinal

圖2為經(jīng)不同溫度熱處理后TA7鈦合金板材橫向與縱向的顯微組織，其中圖 2a~2c 為板材橫向顯微組織，圖 2d~2f 為板材縱向顯微組織。由圖 2 可以看出，經(jīng)750 ℃熱處理的TA7鈦合金板材橫向?yàn)榈容S組織和少量的不均勻組織，縱向?yàn)榈容S組織和少量拉長(zhǎng) α 晶粒（見(jiàn)圖 2a、2d），均為不完全再結(jié)晶組織。經(jīng) 800 ℃熱處理后 TA7鈦合金板材橫向與縱向均為均勻、細(xì)小的等軸組織，平均晶粒尺寸為 9.4 μm，此時(shí)板材已完全再結(jié)晶（見(jiàn)圖 2b、2e）。經(jīng) 850 ℃熱處理后 TA7鈦合金板材橫向與縱向均為均勻的等軸組織，板材晶粒發(fā)生長(zhǎng)大，平均晶粒尺寸為 11.2 μm（見(jiàn)圖 2c、2f）。包覆疊軋后的 TA7鈦合金板材畸變能較大，有很強(qiáng)的再結(jié)晶趨勢(shì)，因而隨著熱處理溫度升高，再結(jié)晶形核與長(zhǎng)大都將以更快的速度進(jìn)行，促使晶粒長(zhǎng)大。

圖 2 經(jīng)不同溫度熱處理后 TA7 鈦合金板材橫向與縱向的顯微組織

Fig.2 Microstructures of TA7 titanium alloy sheets after heat treated at different temperatures: (a) 750 ℃, transverse; (b) 800 ℃, transverse;(c) 850 ℃, transverse; (d) 750 ℃, longitudinal; (e) 800 ℃, longitudinal; (f) 850 ℃, longitudinal

2.2 熱處理溫度對(duì)室溫力學(xué)性能的影響

熱加工態(tài)及經(jīng)不同溫度熱處理后的 TA7鈦合金板材室溫拉伸性能和彎曲性能如表 2 所示。從表 2 可以看出，熱加工態(tài)板材強(qiáng)度最高，延伸率最低，彎曲性能不合格，說(shuō)明熱加工態(tài)板材產(chǎn)生了較大的加工硬化，這與終軋溫度較低有關(guān)。經(jīng)不同溫度熱處理后，TA7鈦合金板材橫向與縱向的抗拉強(qiáng)度接近，室溫拉伸性能、彎曲性能均符合 GJB 2505A—2018 標(biāo)準(zhǔn)要求，且室溫拉伸性能富余量較大。與熱加工態(tài)板材相比，強(qiáng)度降低，延伸率增大，說(shuō)明熱處理可以有效降低板材強(qiáng)度，提高塑性。

此外，隨著熱處理溫度的升高，板材強(qiáng)度降低，延伸率變化不大。

2.3 熱處理溫度對(duì)高溫力學(xué)性能的影響

熱加工態(tài)及經(jīng)不同溫度熱處理后的 TA7鈦合金板材高溫拉伸性能和高溫持久性能如表 3 所示。從表 3 可以看出，熱加工態(tài) TA7鈦合金板材在 350 ℃和 500 ℃的高溫抗拉強(qiáng)度均較高，熱處理后的高溫抗拉強(qiáng)度較低。隨著熱處理溫度的升高，板材高溫抗拉強(qiáng)度逐漸降低，其中經(jīng) 750 ℃和 800 ℃熱處理后板材的高溫拉伸性能均符合 GJB 2505A—2018 標(biāo)準(zhǔn)要求，而 850 ℃熱處理后不符合 500 ℃高溫抗拉強(qiáng)度的要求。從表 3 還可以看出，熱加工態(tài)及經(jīng)不同溫度熱處理后的 TA7鈦合金板材在 350 ℃/440 MPa、500 ℃/195 MPa 條件下的高溫持久性能均滿足 GJB 2505A—2018 標(biāo)準(zhǔn)要求。

綜合以上分析，為了獲得均勻、細(xì)小的組織及良好的力學(xué)性能，TA7鈦合金板材宜采用 800 ℃熱處理。

3 、結(jié) 論

(1) 熱加工態(tài) TA7鈦合金板材橫向存在不均勻組織，縱向有較多拉長(zhǎng) α 晶粒。經(jīng) 750 ℃熱處理后板材拉長(zhǎng) α 晶?；巨D(zhuǎn)變?yōu)榈容S狀；經(jīng) 800 ℃熱處理后板材橫向與縱向均為均勻、細(xì)小的等軸組織；經(jīng) 850 ℃熱處理后板材橫向與縱向均為均勻的等軸組織，平均晶粒尺寸較 800 ℃熱處理的板材有所長(zhǎng)大。

(2) 經(jīng) 750、800、850 ℃ 3 種不同溫度熱處理后的TA7鈦合金板材，其橫向與縱向的抗拉強(qiáng)度接近，與熱加工態(tài)板材相比，強(qiáng)度降低，延伸率增大；隨著熱處理溫度的升高，板材室溫拉伸強(qiáng)度和高溫拉伸強(qiáng)度均逐漸降低。

(3) 為了獲得均勻、細(xì)小的組織及良好的力學(xué)性能，TA7鈦合金板材宜采用 800 ℃熱處理。

參考文獻(xiàn) References

[1] 邢秋麗, 王蕊寧, 朱曉翠, 等. 制備工藝對(duì) TA7鈦合金板材外觀、力學(xué)性能和組織的影響[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展, 2015, 32(3): 26-29.

[2] 劉偉, 杜宇. 低溫鈦合金的研究現(xiàn)狀[J]. 稀有金屬快報(bào), 2007,26(9): 6-10.

[3] 姚澤坤, 孫紅蘭, 張東亞, 等. 工藝參數(shù)組合對(duì) TA7鈦合金拉伸性能的影響[J]. 重型機(jī)械, 2012(3): 74-77.

[4] 趙永慶. 鈦合金的研究與開(kāi)發(fā)[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展, 2005,22(4): 1-7.

[5] 龐洪, 張海龍, 王希哲, 等. 包覆疊軋 TA7鈦合金板材的組織與力學(xué)性能[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2010, 20(S1): 66-69.

[6] 王韋琪, 羊玉蘭, 馬寶軍, 等. Fe 對(duì) TA7 合金工藝特性及低倍組織性能的影響[C]//中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)第十四屆材料科學(xué)與合金加工學(xué)術(shù)年會(huì)論文集, 2011.

[7] 周玉川, 李鵬, 夏亞峰, 等. 軋制工藝對(duì) TA7鈦合金板材表面開(kāi)裂的影響[J]. 熱加工工藝, 2017, 46(15): 160-162.

[8] 洪權(quán). Ti-6Al-4V 合金薄板包覆疊軋加工工藝與組織性能研究[D]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué), 2005.

[9] 洪權(quán), 郭萍, 周偉. 鈦合金成形技術(shù)與應(yīng)用[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展,2022, 39(5): 27-32.