熱處理工藝對TA17 鈦合金棒材組織與性能的影響

文/邱巖，張俊杰，韓琛宜，段曉輝，王文波，傅開·寶雞鈦業股份有限公司

本文探究鈦合金棒材在熱處理下的金相顯微組織、力學性能發生的變化。取相同錠號，不同節號的φ60mm 棒材，進行熱處理和室溫力學性能測試。結果表明：TA17 鈦合金棒材經不同溫度熱處理時，內部組織由等軸α 相+晶間β相共同組成，伴隨著熱處理過程中溫度逐漸升高，初生α 相逐步趨于等軸化，初生α 相含量減少，β相的含量和體積分數逐漸增大。在740 ～780℃時，TA17 鈦合金綜合力學性能相比其他溫度區間較為優秀，實現了強度、塑性和韌性的良好匹配。

TA17 鈦合金，其名義成分為Ti-4Al-2V，是一種α 型鈦合金，具有低合金化的特點。其性能主要表現為：屈服強度約達到650MPa，中等強度鈦合金，較好的熱穩定性、焊接性能和耐腐蝕性能，比強度高、耐高溫。因此常廣泛運用在航空航天、化工、能源等領域。

從力學性能的角度觀察，合金的性能表現主要決定于其加工工藝、化學成分、對微觀組織的熱處理。當化學成分一定時，加工過程和熱處理制度是影響其組織和性能的關鍵。目前，國內已有學者對TA17 鈦合金板材制定了系統化的熱處理流程，并分析熱處理下對其性能、組織的影響；并對鈦合金板材進行不同的熱處理制度，研究其組織和性能的關系。但目前尚缺乏熱處理對鈦合金棒材的性能、組織影響研究。本研究基于不同溫度下的熱處理試驗，探究熱處理制度對TA17 鈦合金棒材組織和性能的影響，進一步了解熱處理對鈦合金棒材的性能、組織影響，也為進一步優化鈦合金棒材的生產工藝、成品研發、工業應用提供借鑒支持。

試驗材料及方法

試驗材料

本試驗采用的是由寶鈦集團有限公司生產的，經真空自耗電弧爐二次熔煉的φ696mmTA17鈦合金鑄錠，經過β 區開坯鍛造后兩相區(α+β)鍛造加兩相區精鍛機徑向鍛造等工序得到的φ60mm 棒材。本試驗所用試樣取自棒材頭部中心位置，取樣方式為線切割取樣?；瘜W成分見表1。

表1 化學成分(質量分數，%)

試驗方法

TA17 鈦合金棒材熱鍛加工結束之后，從其上取下大小均等試樣，然后使用不同的熱處理溫度對其進行試驗，熱處理制度如下：700℃、720℃、740℃、760℃、780℃、800℃、820℃、840℃，在進行持續1.5h的溫度保持后，進入空冷。各試樣熱處理后，分別測試各試樣力學性能,觀察顯微組織。在力學性能測試的拉伸試驗中，依據GB/T 228.1-2021 標準在材料萬能試驗機上進行拉伸測試。試驗環境溫度12℃、環境濕度32%。沖擊性能試驗按GB/T 229-2020 標準，在材料萬能試驗機上進行測試，試驗環境溫度13℃，試驗濕度33%。

在Axiovert 200 mat 金相顯微鏡上觀察組織，試驗環境溫度15℃，環境濕度35%。金相腐蝕劑采用體積配比為7%HF+23%HNO3+70%H2O 的混合液。試驗過程符合GB/T 5168-2020 標準。

結果與分析

顯微組織分析

TA17 鈦合金棒材原始組織是細晶粒球狀組織，合金在整個加熱過程中，鑄態合金經鍛造變形，粗大的柱狀晶和等軸晶被破碎，并沿變形方向被拉長。

試樣在不同溫度下熱處理并保溫相同時間1.5h，然后空冷其組織形貌如圖1 所示，白色區域為初生α 相，黑色為β 相且多數存在于晶界處。在加熱至700℃時，組織形貌為初生α 相和晶界β 相構成，見圖1(a)。隨溫度上升，TA17 鈦合金的顯微組織由細晶粒和粗晶粒球狀α 相+晶界β 相構成，且不難發現部分晶粒的形狀向規則的多邊形轉變，這是因為隨著溫度的升高，金屬為使其界面自由能最小，變形組織所具有的不規則晶界轉變為幾何形狀規則的多邊形晶界。經過回復和再結晶過程，部分小角度晶界β 相減少，由針狀轉變為多邊形狀，大角度β 相晶界增加并最終轉化形成等軸晶。

圖1 不同溫度熱處理的TA17 金相圖

由圖1 可得，逐步升高熱處理溫度將導致初生α 相的體積分數遞減、β 相體積分數遞增，α 相晶粒尺寸增大、細晶粒β 相增多，這是由于合金元素的波動，在β 相穩定元素富集的區域，α 相率先轉變為β 相，當溫度升高至800℃，TA17 鈦合金中出現次生α 相，隨著熱處理溫度上升至840℃，次生α 相體積分數增大，這是因為隨著溫度的升高，β相中的最大固溶度升高，β 相中固溶了大量的α 相穩定元素，在空冷過程中，α 相穩定元素超過了其在β 相中的最大固溶度，α 相穩定元素和β 相穩定元素分離富集，最終導致次生α 相析出。

室溫力學性能

不同熱處理溫度對TA17 鈦合金棒材力學性能的影響如圖2 所示，在不同的熱處理溫度下，TA17 鈦合金的力學性能有所變化。表2 為試驗所得力學性能數據。從700℃開始，隨著溫度上升，抗拉強度上升，但溫度上升至760℃以上抗拉強度開始減小，尤其是熱處理溫度達到800℃后，材料的抗拉強度降低到730MPa，此時繼續提升溫度會小幅提高抗拉強度。不同熱處理溫度下屈服強度的變化表現與之相似，在超過760℃時減小，在超過820℃后有小幅提高。在整個熱處理溫度區間斷面延伸率變化不大。如圖2所示，在700 ～760℃區間內沖擊性能逐漸升高，在760 ～800℃區間內沖擊韌性下降，800 ～840℃區間內沖擊性能又升高。所以，在740 ～780℃之間，強度與塑性的匹配最好。

圖2 不同熱處理溫度對TA17 鈦合金棒材力學性能的影響

表2 試驗所得力學性能數據

結束語

⑴TA17 鈦合金隨著溫度升高，β 相的含量和體積分數增大。

⑵鈦合金棒材進行不同溫度熱處理時，其棒材的顯微組織由等軸球狀α 相+晶間β 相構成，初生α 相隨熱處理溫度上升而減少。

⑶熱處理溫度在740 ～780℃范圍時，可以實現強度與塑性、韌性匹配最好，熱處理所獲得的棒材綜合力學性能表現最佳。所以最佳的熱處理制度為(740 ～780℃)×1.5h/AC。