鈦及鈦合金具有高比強(qiáng)度、高耐腐蝕性、無磁等特點(diǎn)，是一種優(yōu)異的海洋材料。但目前海洋工程裝備用鈦合金普遍存在強(qiáng)度和耐油氣腐蝕能力不足的特點(diǎn)，而且其生產(chǎn)制造難度比普通鈦合金大。隨著國家海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)施以及海洋資源開發(fā)利用力度的加大，對先進(jìn)高性能海洋工程裝備的需求逐漸擴(kuò)大，開發(fā)應(yīng)用于先進(jìn)船舶、海洋工程裝備等領(lǐng)域的高強(qiáng)耐蝕鈦合金是當(dāng)前鈦合金的研究熱點(diǎn)。

一般可通過合金成分設(shè)計(jì)、加工方式和熱處理手段等改善耐蝕鈦合金的性能和顯微組織。CHENG Y C等設(shè)計(jì)開發(fā)的Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn鈦合金與純鈦、Ti-6Al-4V合金相比，在各種模擬環(huán)境下均具有良好的耐腐蝕性能，但其強(qiáng)度偏低。GORNAKOVA A S等研究成分、退火溫度和高壓扭轉(zhuǎn)對Ti-V和Ti-V-Al合金組織和硬度的影響，發(fā)現(xiàn)Al的加入完全抑制了ω-Ti相的形成，Al的添加可以增加其硬度，且高壓扭轉(zhuǎn)后合金的硬度隨熱處理溫度的升高而提高。LIN C等依據(jù)電子濃度理論分析了鈦合金中添加合金元素對形成和的影響，發(fā)現(xiàn)高鋁當(dāng)量利于形成相，而較高的Zr、Mo和Nb元素有利于相形成。固溶時(shí)效熱處理是一種改善金屬材料微觀組織和力學(xué)性能的工藝，常用來提高鈦合金強(qiáng)度。魯媛媛等研究了不同固溶處理溫度對TC4鈦合金顯微組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)固溶處理有效提高了鈦合金的強(qiáng)度，但卻伴隨著塑性的降低，隨著固溶溫度升高β相逐漸向α相轉(zhuǎn)變。LI C L等研究了固溶時(shí)效處理對Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al鈦合金組織和性能的影響，其力學(xué)性能顯著提高。YANG X W`等通過固溶時(shí)效處理，改善了Ti-6Al-4V鈦合金的組織和耐蝕性能，微觀組織由片層組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)籃組織，此外腐蝕電流密度明顯降低，提高了耐腐蝕性能。對于鋁當(dāng)量較高的近α合金，難以將亞穩(wěn)β相保留至?xí)r效溫度，因此合金不具備時(shí)效強(qiáng)化效果。然而通過固溶處理可以獲得并調(diào)控馬氏體顯微組織結(jié)構(gòu)，一方面可有效提高合金室溫塑性，另一方面也能間接改善合金的時(shí)效強(qiáng)化效果，最終實(shí)現(xiàn)合金加工及使用性能的提升。

【資料圖】

目前關(guān)于耐蝕鈦合金成分設(shè)計(jì)、加工方式和熱處理手段對其顯微組織和性能的研究較少。本課題以新設(shè)計(jì)開發(fā)的Ti-5.5Al-2.0Zr-1.5Sn-1.5Nb-0.5Mo耐蝕鈦合金為研究對象，依次經(jīng)過3次VAR爐熔煉、開坯鍛造、熱軋、固溶時(shí)效處理等過程，研究不同的固溶溫度對鈦合金板材組織、力學(xué)性能的影響規(guī)律，以期為改善耐蝕鈦合金組織和性能提供參考。

【試驗(yàn)材料及方案】

試驗(yàn)材料名義成分為Ti-5.5Al-2.0Zr-1.5Sn-1.5Nb-0.5Mo（以下簡稱Ti55211），選用0級(jí)海綿鈦、海綿鋯、鈦錫合金、鋁鈮中間合金、鋁鉬中間合金等作為原材料，在真空自耗電弧爐中進(jìn)行3次熔煉，采用化學(xué)分析法檢測鈦合金鑄錠的化學(xué)成分見表1。將Ti55211鈦合金3次鑄錠進(jìn)行開坯、鍛造，然后運(yùn)用兩輥可逆軋機(jī)熱軋成板材，再進(jìn)行固溶時(shí)效熱處理。熱軋工藝為將坯料加熱至960℃后保溫60 min進(jìn)行一火熱軋；回爐加熱至950 ℃后長寬換向進(jìn)行二火熱軋；二火軋制板材再次回爐加熱至940 ℃進(jìn)行三火軋制，最后空冷至室溫，板材的最終厚度為8 mm，終軋溫度為820℃。經(jīng)差示掃描量熱儀實(shí)測得Ti55211鈦合金熱軋板材的相變溫度為950℃，據(jù)此制定固溶時(shí)效處理熱處理工藝見表2。

將固溶時(shí)效后的Ti55211鈦合金板材切割為10 mm ×10 mm×8 mm的試樣進(jìn)行研磨、拋光，金相腐蝕采用Kroll試劑，HF、HNO3、H2O體積配比為1:2:7，采用Nikon ECLIPSE MA200倒置顯微鏡觀察試樣金相組織。采用SHT4605微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行板材單向室溫拉伸性能，試樣尺寸見圖1，采用ZEISS EVO18掃描電鏡觀察試樣斷口形貌。采用TH320型洛氏硬度計(jì)檢測試樣硬度，載荷為1471 N，加載時(shí)間為10 s，每個(gè)試樣測5次取平均值。

圖1 拉伸試樣尺寸

【圖文結(jié)果】

Ti55211鈦合金固溶時(shí)效后的板材顯微組織見圖2。由圖2a~圖2c可看出，900 ℃時(shí)Ti55211鈦板材的縱、橫、軋制三個(gè)面組織均由α相、β相和少量的β轉(zhuǎn)變組織構(gòu)成，但β相呈現(xiàn)彌散無規(guī)則分布狀態(tài)，且β轉(zhuǎn)變組織尺寸普遍偏小。經(jīng)軟件計(jì)算，軋制面α相的體積分?jǐn)?shù)約為83.47%。由圖2d~圖2f可看出，930℃時(shí)板材的縱、橫、軋面的組織由α相、β相和β轉(zhuǎn)變組織構(gòu)成，但β轉(zhuǎn)變組織較900℃下固溶時(shí)效組織存在明顯變大的趨勢，且縱截面和軋制面的組織呈現(xiàn)明顯等軸化趨勢，其原因是固溶處理溫度930℃在Ti55211鈦合金的α+β兩相區(qū)，在α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪鄷r(shí)發(fā)生了再結(jié)晶變化，但由于溫度不高，沒有形成完全等軸的α相，在此過程中β轉(zhuǎn)變組織發(fā)生長大變粗。經(jīng)軟件計(jì)算，軋制面α相的體積分?jǐn)?shù)約為86.11%，較900℃時(shí)的體積分?jǐn)?shù)有所增加。由圖2g~圖2i可看出，960 ℃下板材的縱、橫和軋面的組織發(fā)生顯著變化，與低溫固溶時(shí)效板材的組織不同，其組織為魏氏組織形貌，存在清晰的晶界α相和粗大的β晶粒，主要是因?yàn)樵?60℃的固溶時(shí)，超過了Ti55211鈦合金的相變點(diǎn)溫度，大部分α相得以轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪啵诖慊饡r(shí)保留下來，經(jīng)計(jì)算軋制面α相的體積分?jǐn)?shù)約為46.37%。由圖2c、圖2f和圖2i可知，當(dāng)在相變點(diǎn)之前進(jìn)行固溶處理時(shí)，隨著固溶溫度的升高，Ti55211鈦合金板材軋制面的組織由不規(guī)則彌撒分布的組織變?yōu)榈容S組織；當(dāng)在相變點(diǎn)之后進(jìn)行固溶處理時(shí)，組織變?yōu)槲菏辖M織。

綜上，當(dāng)固溶溫度從900 ℃升到930 ℃時(shí)，Ti55211鈦合金組織呈現(xiàn)等軸化，α相逐漸增加，體積分?jǐn)?shù)從83.47% 增至86.11%，表明α相發(fā)生了部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，α相聚集球化，β轉(zhuǎn)變組織也長大變粗；當(dāng)在960 ℃西固溶時(shí)，組織呈現(xiàn)魏氏組織形貌，α相含量大幅降低至46.37%，等軸狀α相減少。

（a）900 ℃，縱截面 （b）900 ℃，橫截面 （c）900 ℃，軋制面

（d）930 ℃，縱截面 （e）930 ℃，橫截面 （f）930 ℃，軋制面

（g）960 ℃，縱截面 （h）960 ℃，橫截面 （i）960 ℃，軋制面

圖2 Ti55211鈦合金固溶時(shí)效板材的顯微組織

圖3為Ti55211鈦合金板材在不同溫度下固溶時(shí)效后的力學(xué)性能。可以看出，Ti55211鈦合金固溶時(shí)效前板材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率分別為1001 MPa、842 MPa和5.5%。板材在900℃固溶時(shí)效后，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及伸長率分別為855 MPa、779 MPa和14.5%，較固溶時(shí)效處理前抗拉強(qiáng)度降低了14.58%，伸長率提高了163.6%。其原因是熱軋板材的組織分布不均，十分凌亂，α相、β相的尺寸各異，而在固溶時(shí)效處理后這一現(xiàn)象明顯得到改善，內(nèi)部由于軋制變形造成的應(yīng)力集中在時(shí)效過程得到釋放，其伸長率故而大幅增加。板材在930℃固溶時(shí)效后，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及伸長率分別為886 MPa、791 MPa和14.0%，較固溶時(shí)效處理前抗拉強(qiáng)度降低了11.49%，伸長率提高了154.5%。板材在960℃固溶時(shí)效后，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及伸長率分別為927 MPa、851 MPa和12.5%，較固溶時(shí)效處理前抗拉強(qiáng)度降低了7.39%，屈服強(qiáng)度提高了1.07%，伸長率提高了127.27%。

圖3 Ti55211固溶時(shí)效板材的力學(xué)性能

隨著固溶溫度的升高，Ti55211鈦合金板材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨之提高，而伸長率隨之降低。在930℃固溶時(shí)效后板材較900℃時(shí)效后板材的β轉(zhuǎn)變組織數(shù)量更多、尺寸更大，因而強(qiáng)度較900℃時(shí)效時(shí)更高；當(dāng)960℃固溶時(shí)效后，組織變?yōu)槲菏辖M織，有大量粗大的β晶粒，強(qiáng)度進(jìn)一步提高，而原有的等軸α相減少導(dǎo)致塑性下降。另外，在930℃固溶時(shí)效后具有最高的強(qiáng)塑性，說明在該固溶時(shí)效熱處理工藝下的Ti55211鈦合金板材綜合力學(xué)性能最佳。

圖4為Ti55211鈦合金在不同固溶時(shí)效處理后試樣的室溫拉伸斷口形貌組織。由圖4可知，在900、930和960℃固溶時(shí)效熱處理的拉伸試樣的斷口形貌均由大量的韌窩組成，斷裂方式屬于韌性斷裂方式。其中，圖4a和圖4b中的大韌窩中包含有大量小韌窩，深度更深；而圖4c中的很多韌窩較淺甚至不完整，局部區(qū)域存在解理臺(tái)階，塑性相對較差，此現(xiàn)象與力學(xué)性能一致。綜上所述，三種固溶時(shí)效熱處理后的Ti55211鈦合金板材斷口形貌均由韌窩構(gòu)成，屬于韌性斷裂。

圖4 Ti55211固溶時(shí)效板材拉伸試樣斷口形貌

(a) 900 ℃；(b)930 ℃；(c) 960 ℃

圖5為Ti55211鈦合金板材在不同固溶溫度下保溫30 min，在580 ℃下時(shí)效3 h后的硬度。可以看出，Ti55211鈦合金板材在900、930、960 ℃下固溶時(shí)效處理后的硬度逐漸增大，但增大幅度不大。固溶時(shí)效板材的洛氏硬度較熱軋板材的硬度均出現(xiàn)了一定幅度的下降，說明固溶時(shí)效熱處理對Ti55211鈦合金熱軋板材存在一定的軟化效果，其原因可能是固溶處理改善了熱軋后原本凌亂的組織，時(shí)效過程又釋放了變形產(chǎn)生的應(yīng)力。另外，隨著固溶溫度的增加，其固溶時(shí)效板材的洛氏硬度隨之增高，與抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的變化趨勢一致，與伸長率變化趨勢相反。

圖5 Ti55211固溶時(shí)效板材的洛氏硬度

【結(jié)論】

(1) Ti55211鈦合金熱軋板材在不同溫度固溶并時(shí)效處理后，組織產(chǎn)生了較大變化。當(dāng)固溶溫度從900℃升高到930℃時(shí)，組織呈現(xiàn)等軸化趨勢，β轉(zhuǎn)變組織明顯增多；當(dāng)在960℃進(jìn)行固溶時(shí)，有粗大的β晶粒和晶界α，其組織為魏氏組織形貌。

(2) 隨著固溶溫度的不斷升高，Ti55211鈦合金板材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和洛氏硬度隨之升高，而伸長率隨之下降。板材在930℃固溶時(shí)效后的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及伸長率分別為886 MPa、791 MPa和14.0%，此熱處理工藝下綜合力學(xué)性能最佳。三種固溶時(shí)效熱處理后的板材斷口形貌均由韌窩構(gòu)成，屬于韌性斷裂。

【文獻(xiàn)引用】

譚聰，張靜，董英杰，等.固溶時(shí)效對Ti-5.5Al-2.0Zr-1.5Sn-1.5Nb-0.5Mo合金組織及性能影響[J].特種鑄造及有色合金,2023,43(1):109-113.

TAN C,ZHANGJ,DONG YJ,et al.Effect of solution aging treatment on microstructure and properties of Ti-5.5Al-2.0Zr-1.5Sn-1.5Nb-0.5Mo alloy[J].Special Casting & Nonferrous Alloys,2023,43(1):109-113.

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