退火温度对GR9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.