時效處理對鈦合金棒材組織及性能的影響

Gr.23鈦合金具有較好的力學性能、耐熱性能、耐腐蝕性能、優越的抗氧化性能和較好的焊接等能力而被廣泛的應用于不同領域，尤其是航空航天科技以及其他尖端科學技術領域，對我國科技發展及科技強國具有重要的促進意義。鈦合金棒材的優越性能離不開棒材的鍛造工藝和實效熱處理[1，2]，不同的生產工藝對鈦合金的顯微組織和性能響差異較大，雖然我國在鈦合金制作工藝以及應用方面取得了較好的成果，但隨著社會發展及科學技術的進步，對性能更好、穩定的鈦合金棒材需求量更大。因此，為了尋求綜合性能良好的鈦合金棒材就必須研究實效熱處理對鈦合金棒材組織和性能的影響，進而確定出最優性能產品的生產工藝。基于此，本文以鈦合金棒材為研究對象，分析實效處理對鈦合金棒材組織及性能額影響，為制定鍛造工藝提供支撐。

1、 試驗原材料及過程

本文所選用的試驗材料包括Gr.23 鈦合金鑄錠，對試驗樣材經過鍛造處理制成φ50mm 的鈦合金棒材若干個，試驗過程中通過改變實效制度對該棒材進行組織及性能影響研究。在試驗開始之前，分別對制備好的同一類鈦合金棒材進行1h 固溶處理，溫度分別為650℃、700℃、750℃，再優選出固溶溫度最佳的棒材進行時效處理，設置時效溫度為450℃和500℃，時效時間為24、20、16、12、8h，空冷后觀察鈦合金棒材的顯微組織以及性能變化規律，著重對Gr.23鈦合金的顯微組織和拉伸性能進行了分析，為制定更加優越的鍛造工藝提供一套可靠的數據支撐。

2、試驗結果與分析

2.1 固溶溫度對棒材顯微組織的影響

將制備好的Gr.23 鈦合金棒材分別在650℃、700℃、750℃溫度下處理1h 后空冷固溶處理，進行固溶溫度試驗。

結果表明：隨著固溶溫度的升高，β 鈦合金隨之升高，且初生α 相由顆粒狀轉變為短棒狀或者條狀，直至全部轉變為β 相。在650℃和700℃條件下，棒材固溶不完全，因此晶 粒未發現完全再結晶，即在β 相中混合了較多的α 相，隨著固溶溫度的持續升高，α 相含量逐漸降低；當固溶溫度持續上升至750℃時，晶粒發生了完全再結晶，α 相基本完全轉變為β 相，β 晶粒呈近等軸狀，此時棒材的固溶效果最好。因此，在做進一步時效處理時采用750℃固溶處理，目的在于充分的固溶可以促進α 相的完全析出，對鈦合金棒材起明顯的強化作用。

2.2 時效制度對棒材顯微組織的影響

根據上文固溶溫度試驗結果，本文選擇750℃ ×1h 作為本次試驗的固溶制度，進行時效試驗。分別在450℃和500℃條件下保溫24、20、16、12、8h 后空冷進行顯微組織觀察。試驗結果表明：在500℃條件下保溫8h 和12h 的時效處理后，含有少量的α 相，隨著時效時間的持續增長，α相析出量略有增加，顯微組織中以大量的β 相；當時效溫度較高時，理論析出溫度與實際時效溫度差值（過冷度）相對較小，導致形核驅動力小，使得α 相不容易形核；當時效時間持續增長時，早期已經形核的α 相逐漸長大，局部區域形成黑斑；總體而言，在500℃的溫度下進行時效試驗，棒材中的α 相未能完全析出，棒材的顯微硬度較低。在450℃條件下保溫8h 和12h 的時效處理后，顯微照片中呈現出大量彌散的α 相晶粒，隨著時效時間的持續增長，鈦合金棒材中析出的α 相逐漸長大并呈黑色斑塊狀；當時效溫度逐漸降低時，由于時效溫度過冷度較大，導致晶體形核驅動力明顯增大，使得α 相更加容易形核[3，4] ；隨著時效時間增加，α 相不僅從晶界析出，而且在晶內也大量析出；總體上，在450℃溫度條件下進行時效試驗時，鈦合金棒材中的α 相析出較為充分，并且在時效時間為20h 時，棒材的顯微硬度最大。

2.3 時效制度對棒材性能的影響

根據上文固溶溫度試驗和顯微組織試驗結果，選擇750℃ ×1h ＋ 450℃ ×20h 和750℃ ×1h ＋ 500℃ ×20h兩種條件下進行鈦合金棒材的拉伸性能試驗。試驗結果顯示：500℃時效后行鈦合金棒材的強度降低了40% 左右；在450℃條件下進行時效試驗時，棒材中彌散有大量的α相晶粒析出，直至時效時間為20h 后析出的α 相明顯長大，對鈦合金棒材起到了明顯的強化作用，此時Gr.36 鈦合金棒材的強度明顯升高，棒材的塑性性能較低，總體上鈦合金棒材的性能滿足企業生產要求；在500℃條件下進行時效試驗時，鈦合金棒材中的α 相未能完全析出，棒材的顯微照片中以β 相為主導地位，此時鈦合金棒材的強化效果較差，但棒材的塑性相對較高。綜上所述，在750℃ ×1h ＋450℃ ×20h 條件下Gr.23 鈦合金棒材的顯微組織與性能具有較好的匹配性，因此在該條件下生產的鈦合金棒材具有更優越的性能。

3、結束語

綜上所述，Gr.23 鈦合金的應用對現代化科學技術的發展有積極的促進作用，性能更加優越的鈦合金棒材在高科技發展領域具有廣闊的應用前景。本文分別在不同的時效條件下對鈦合金棒材進行了固溶溫度和實效制度試驗，試驗結果得出在750℃ ×1h 條件下進行固溶處理后鈦合金棒材固溶效果最佳，在750℃ ×1h ＋ 450℃ ×20h 條件下進行固溶實效處理后，Gr.23 鈦合金棒材的顯微組織與性能具有較好的匹配性，所生產的鈦合金棒材性能更加優越。通過本文的研究表明，不同鈦合金在不同固溶溫度和實效制度下所呈現的顯微組織和性能差異較大，物理力學性能差異明顯。因此，針對不同用途要求的棒材需進行針對性的試驗，以便于確保生產的棒材綜合性能最優。

參考文獻：

[1] 魯媛媛, 馬保飛, 劉源仁. 時效處理對TC4 鈦合金微觀組織和力學性能的影響[J]. 金屬熱處理,2019,44(07):34-38.

[2] 程軍, 于振濤, 牛金龍, 等. 時效處理對近β 型鈦合金TLM 組織與性能的影響[J]. 稀有金屬與硬質合金,2017,45(06):54-58+80.

[3] 母果路, 廖強, 王興, 等. 固溶加時效處理對Gr.36 鈦合金棒材組織及性能的影響[J]. 鈦工業進展,2017,34(02):28-32.

[4] 潘巧玉, 余新平, 齊永杰, 等. 熱拉伸變形及固溶時效處理對TC4-DT鈦合金顯微組織的影響[J]. 機械工程材料,2019,43(11):21-26.

相關鏈接