成形及退火温度对舰船用TA5钛合金棒显微组织和力学性能的影响

TA5钛合金是一种中强全α型钛合金，名义成分为Ti-4Al-0.005Ｂ，具有良好的焊接性和耐蚀性能，被广泛应用于舰船烟囱蒙皮、桅杆等零部件[1，2]。 试验通过设计不同的成形温度及热处理制度获得了不同的显微组织形貌，研究分析了显微组织对TA5钛合金室温力学性能的影响。

1、试验材料与方法

试验用材料为西部钛业有限责任公司生产的Φ150ｍｍTA5钛合金棒材，相变点为100６℃。

试验用原材料在ＳＸ-1６精锻机上制备出Φ83ｍｍTA5钛合金棒材，随后进行热处理，成形温度及热处理制度见表1；最终在棒材头部切取金相与室温拉伸试样进行测试。

显示金相组织所用腐蚀剂为10％ＨＦ＋40％ＨＮＯ₃＋50％Ｈ₂Ｏ，腐蚀后在Ｓｔｅｍｉ2000型显微镜下进行组织观察；室温拉伸试样按GB/T 22８-2002《金属材料室温拉伸试验方法》加工成Φ5ｍｍ的标准试样并在1185型材料试验机上进行静态室温拉伸试验。

2、试验结果及讨论

2.1不同工艺路线下成品棒材组织

2.1.1成形温度对棒材组织的影响

不同成形温度下成品棒材经８50℃保温2h，空冷后的显微组织形貌如图1所示。

由图1可以看出，两种成形温度下退火态均为等轴组织，但组织细节存在明显差别。1＃试样存在明显的晶界析出物且晶内分布有沿特定方向析出的点状析出物，4＃试样以晶内点状析出物为主，伴随少量晶界析出物。钛合金中β→α相转变属于体心立方向密排六方的同素异构转变，两相之间满足伯格斯关系：（110）β／／（0002）α，[1-11]β／／[11-20]β。通常情况下，在上述相转变的过程中α相的生长总是沿着某一特定方向进行，形成“片状”微结构。TA5钛合金中存在微量Ｆｅ元素，该元素在α相中固溶度很小，因此伴随片状α相的生长，Fe元素会析出并降低附近区域的相变点，从而形成沿特定方向析出的点状β相，如1＃试样所示。对于Ｔβ之下成形棒材，原有的条状β相会历经变形，破坏原有流线结构，并伴随退火过程中α相再结晶形成无流线分布的点状形态，如4＃试样所示。

2.1.2退火温度对棒材组织的影响

图2为相变点之下成形棒材经不同退火温度退火的显微组织形貌。

由图2可以看出，经７00℃保温2ｈ后的显微组织为拉长的条状α相，说明此时再结晶未充分进行；当退火温度升至８00℃时，组织内部已出现等轴状的再结晶结构，但仍保留部分拉长的条状α相；随着退火温度的进一步升高，组织已经完全转变为等轴晶粒，且晶粒发生了明显的长大。

退火温度越高，再结晶过程驱动力越大，原子扩散速率越快，致使再结晶体积分数上升、再结晶后晶粒尺寸增大。

2.2不同工艺路线下棒材力学性能

2.2.1成形温度对棒材力学性能的影响

不同成形温度下TA5棒材的室温拉伸性能见表2。由表2可以看出，相比于Ｔ_β之上成形棒材，Ｔ_β之下成形有利于材料的塑性，但会降低材料的强度。

由图1可知，Ｔ_β之上成形时，会形成伴随有沿某特定方向分布的点状β相的等轴组织，这种β相分布形态会将原有的等轴晶粒割裂成几个小的“条状区域”，一方面降低了有效滑移长度，导致强度增加，另一方面降低了材料的变形协调性，导致材料塑性下降。

2.2.2退火温度对棒材力学性能的影响

退火温度对TA5钛合金棒材的室温拉伸性能如图3所示。由图3可以看出，随退火温度的上升，材料呈现强度降低、塑性上升的趋势。

一方面随着退火温度的上升，再结晶体积分数上升，降低了加工产生的“加工硬化”效果；且随着等轴晶粒数量增多、材料的变形协调性增加，改善了材料的塑性。另一方面，晶 粒尺寸的增大导致材料内部相界面减少，对于位错的钉扎作用减弱，造成材料强度的下降。

3、结论

1）两种成形温度下棒材退火态均为等轴组织，但组织细节存在明显差别。Ｔ_β之上成形的棒材组织存在明显的晶界析出物且晶内分布有沿特定方向析出的点状析出物；Ｔ_β之下成形的棒材组织以晶内点状析出物为主，伴随少量晶界析出物，且随着退火温度的升高，再结晶体积分数升高，晶粒尺寸增大。

2）相比于Ｔ_β之上成形棒材，Ｔ_β之下成形有利于材料的塑性，但会降低材料的强度；随退火温度的上升，材料呈现强度降低、塑性上升的趋势。

参考文献：

[1]郝晓博，张强，陶会发，等.轧制工艺对TA5钛合金薄板组织与性能的影响[Ｊ].热加工工艺，201９，4８（1９）：11９-120，123.

[2]何书林，冯永琦，王永强，等.TA5钛合金组织对锻件性能的影响[Ｊ].金属学报，2002，3８（Ｚ1）：204-205.