退火溫度對Gr9鈦合金棒材組織及性能的影響

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.