熱處理溫度對(duì)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1.0mm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30min，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（10mLHF+25mLHNO₃+60mLC₃H₈O₃＋20mLH₂O）中浸蝕7s后，按照GB/T5168—2020標(biāo)準(zhǔn)在AXIOVERT200MAT金相顯微鏡下進(jìn)行組織觀察；按照GB/T228.1—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/T232—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3mm；按照GB/T228.2—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℃/440MPa和500℃/195MPa條件下，按照GB/T2039—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121h（GJB2505A—2018標(biāo)準(zhǔn)要求不少于100h）。

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9.4μm，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11.2μm（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。

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GJB2505A—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GJB2505A—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℃/440MPa、500℃/195MPa條件下的高溫持久性能均滿足GJB2505A—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晶粒基本轉(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

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