退火温度对钛合金棒材组织及性能的影响

钛合金棒材因其具有优越的性能而逐渐广泛的应用于不同领域，对促进我国高端科学技术发展奠定了基础。本文试验所选用的钛合金为 Gr.9 合金，属于 α ＋ β 型钛合金，该钛合金具有较低的变形抗力，可以实现冷加工处理，常用于军工产品领域。钛合金的性能受轧制温度影响较大，对钛合金显微组织以及性能影响较大。基于此，本文以该类钛合金为研究对象，通过退火试验对钛合金棒材的显微组织和性能进行研究，为进一步制定更加优越的加工工艺等提供参考。

1 、试验原材料及过程

本文试验所用的钛合金原材料经过两次真空熔炼后制备成φ220mm 的钛合金铸锭，再经过升温金相法获得该钛合金的相变点为 950℃。钛合金棒材中化学元素成分包括 ：Al 元素，含量为3.92%，V 元素含量为 2.38%，Fe 元素含量为 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%。将钛合金铸锭在 1150℃条件下保温 3h 后进行锻造，制作成变形量大于 80% 的中间坯料 ；再经过加热升温至 900℃，经过多次锻造，每火次变形量大于 50%，最终制作成 φ120mm 棒坯，进行制作成 φ50mm 的棒材若干个。将制作成的棒材分解成 4 组实验样材，将其置于箱式电阻炉中进行退火试验，退火温度控制在 800℃、750℃、700℃和 650℃下保温 1.5h 后空冷处理。将热处理后的钛合金取 1/2 半径纵向拉伸，制作成试验样材 [1]。

2 、试验结果与分析

2.1 退火温度对显微组织的影响

根据试验结果显示，在热加工过程中钛合金棒材的显微组织属于典型的两相区组织，即 α 相和 β 相，两相显微组织均为等轴状组织。当退火温度在 650℃左右时，钛合金棒材的显微组织与热加工态相的变化较为明显，钛合金棒材显微组织的球化和均匀性有明显的改变。随着退火温度的持续升高，钛合金棒材显微组织中的初生 α 相含量逐渐减少，且初生 α 相晶粒逐渐趋于等轴状，棒材显微组织中 β 相和次生 α 相逐渐生长，体积分数逐渐增大。当退火温度介于 650℃～ 750℃范围内时，钛合金棒材的显微组织变化不大，相对稳定。当退火温度逐渐升高至800℃时，钛合金棒材显微组织中中等轴 α 相晶体呈明显增大趋势，局部区域可能出现等轴状 α 相晶体长大并连接在一起形成块状分布的 α相。综上所述，当退火温度大于 750℃以后时，钛合金棒材显微组织中的初生 α 相出现明显生长的现象，并且晶体多呈等轴状分布。因此，该类钛合金棒材在 700℃～ 750℃时获得等轴组织相对均匀、晶体大小相对均匀的显微组织 [2]。

2.2 退火温度对力学性能的影响

根据退火试验数据，对不同退火温度进行了钛合金棒材力学性能的分析。当退火温度为 650℃时，钛合金棒材的抗拉强度为 1013.4MPa，较热加工态的抗拉强度（1043.5MPa）减少了 30.1MPa ；屈 服 强 度 为 920.4MPa，较 热 加 工 态 的 屈 服 强 度（950.4MPa）减少了 30.0MPa ；延伸率为 18.5%，较热加工态的延伸率（16.5%）升高了 2% ；断面收缩率为 48.5%，较热加工态的断面收缩率（46.5%）升高了 2%。当退火温度为 700℃时，钛合金棒材的抗拉强度为 998MPa，较热加工态的抗拉强度减少了45.5MPa ；屈服强度为 917MPa，较热加工态的屈服强度减少了33.0MPa ；延伸率为 19.3%，较热加工态的延伸率升高了 2.8% ；断面收缩率为 49.5%，较热加工态的断面收缩率升高了 3.0%。当退火温度为 750℃时，钛合金棒材的抗拉强度为 987MPa，较热加工态的抗拉强度减少了 56.5MPa ；屈服强度为 912MPa，较热加工态的屈服强度减少了 38.5MPa ；延伸率为 19.0%，较热加工态的延伸率升高了 2.5% ；断面收缩率为 52.5%，较热加工态的断面收缩率升高了 6.0%。当退火温度为 800℃时，钛合金棒材的抗拉强度为 982.5MPa，较热加工态的抗拉强度减少了 61.5MPa ；屈服强度为 909.5MPa，较热加工态的屈服强度减少了 41.0MPa ；延伸率为 19.5%，较热加工态的延伸率升高了 3% ；断面收缩率为53.0%，较热加工态的断面收缩率升高了 6.5%。

由上述统计数据可以得出，当退火温度在 650℃左右时对钛合金棒材的抗拉强度和屈服强度影响较大，而对断面收缩率和延伸率影响较小，其变化范围在 2% 左右 ；当退火温度升高至700℃～ 800℃时，钛合金棒材的抗拉强度和屈服强度变化较小，总体上随温度升高略有降低，但总体上变化幅度较小 ；退火温度持续升高对断面收缩率影响相对较大，总体上随退火温度升高而断面收缩率逐渐升高 ；退火温度升高对延伸率影响较小，基本趋于稳定状态。导致这一现象的原因在于随着退火温度的逐渐升高，显微组织中次生 α 相逐渐被球化、等轴化，而初生 α相逐渐生长，β 相含量逐渐降低，导致钛合金的强度降低。综上所述，当退火温度介于 650℃～ 800℃之间时，虽然钛合金棒材的拉伸性能等有所差异，但总体上棒材的力学性能均满足企业要求，充分说明该类钛合金具有较好的热加工性能 [3]。

2.3 退火温度对棒材硬度的影响

本次试验采用 HVS-10 型数显小负荷维氏硬度测定实验组板材的硬度。在数据统计过程中，为了提高数据的真实可靠性，每个样材中选取 3 个点进行硬度统计，最后求得 3 个数据的平均值代表该样材的最终硬度。通过实验结果得出，当钛合金棒材在热加工态下经过 650℃退火处理后，钛合金棒材的硬度明显降低，钛合金棒材的硬度仅为 20HV1 左右。当退火温度从 650℃变化至 800℃时，虽然钛合金棒材的硬度仍然呈下降趋势，但是硬度下降幅度明显降低，随着温度的升高基本趋于稳定。当退火温度为 750℃和 800℃时，二者所对应温度的硬度变化之差小于3。当退火温度介于 700℃～ 750℃时，钛合金棒材的硬度稳定性较好，总体上钛合金棒材的硬度介于 320HV1 ～ 340HV1 之间。

与企业所需产品要求对比，得出退火温度介于 700℃～ 750℃时所生产的钛合金棒材的硬度满足企业要求。综上所述，退火温度对钛合金棒材的硬度影响较大，综合考虑后认为退火温度为700℃～ 750℃时所生产的产品硬度满足要求。

3、 结语

综上所述，钛合金棒材属于 α ＋ β 型钛合金，为典型的两相区组织。随着退火温度的逐渐升高，次生 α 相逐渐生长，晶粒等轴化、球化明显，在 700℃～ 750℃时获得等轴组织相对均匀、晶体大小相对均匀的显微组织 ；当退火温度介于 650℃～ 800℃之间时，虽然钛合金棒材的拉伸性能等有所差异，但总体上棒材的力学性能均满足企业要求，充分说明该类钛合金具有较好的热加工性能 ；综合考虑后认为退火温度为 700℃～ 750℃时所生产的产品硬度满足要求 [4]。

参考文献

[1]沈立华 , 韩伟松 , 朱宝辉 , 等 . 退火温度对 ATI425 钛合金棒材组织与性能的影响 [J]. 稀有金属与硬质合金 ,2020,48(01):47-50.

[2]孙虎代 , 王田 , 陶海林 , 等 . 轧制温度及退火温度对 TA5 钛合金棒材组织和性能的影响 [J]. 中国钛业 ,2017(04):40-43.

[3]刘广发 , 张衡 , 毛友川 , 等 . 轧制温度对 IMI550 钛合金棒材组织和力学性能的影响 [J]. 材料开发与应用 ,2015,30(02):42-47.

[4]王丽瑛 , 魏寿庸 , 高博 , 等 . 退火制度对 TC25 钛合金棒材组织和力学性能的影响 [J]. 钛工业进展 ,2011,28(02):36-38.

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