引言

Ti80合(he)(he)(he)(he)金(jin)是我(wo)國(guo)自行(xing)研制的(de)(de)875MPa級耐蝕(shi)可焊結構鈦(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)，相(xiang)當(dang)于國(guo)外的(de)(de)Ti-6Al-12Nb-lTa-0.8Mo合(he)(he)(he)(he)金(jin)[1]，其(qi)名義(yi)成分為(wei)Ti-6Al-3Nb-2Zr-lMo,是一種(zhong)鋁含量較高(gao)（5.5%?6.5%，質量分數）并含有(you)β穩定元(yuan)素Nb、Mo和(he)中(zhong)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)元(yuan)素Zr的(de)(de)近(jin)α型鈦(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)[2]。該合(he)(he)(he)(he)金(jin)具有(you)高(gao)的(de)(de)比強度(du)、良(liang)好(hao)(hao)的(de)(de)塑(su)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)、優良(liang)的(de)(de)耐蝕(shi)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)及良(liang)好(hao)(hao)的(de)(de)焊接性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)等(deng)(deng)優點，被廣泛(fan)應用(yong)于潛(qian)艇、艦(jian)船(chuan)[3]。而當(dang)潛(qian)艇、艦(jian)船(chuan)等(deng)(deng)在海(hai)(hai)水中(zhong)服役時，會受到海(hai)(hai)浪及海(hai)(hai)上(shang)漂浮物的(de)(de)沖(chong)刷和(he)撞(zhuang)擊，需要承受大的(de)(de)沖(chong)擊載荷作用(yong)[4]。因此，為(wei)了保證Ti80合(he)(he)(he)(he)金(jin)材(cai)料的(de)(de)使用(yong)安全性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)，其(qi)強度(du)、塑(su)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)和(he)沖(chong)擊軔性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)需達(da)到良(liang)好(hao)(hao)匹配(pei)。目前(qian)國(guo)內學者已對(dui)Ti80合(he)(he)(he)(he)金(jin)進行(xing)了一些相(xiang)關研究，但主要集中(zhong)在對(dui)Ti80合(he)(he)(he)(he)金(jin)棒材(cai)鍛造工藝(yi)、管材(cai)以及板材(cai)熱處理工藝(yi)上(shang)[1-2]，而關于退火溫度(du)對(dui)Ti80合(he)(he)(he)(he)金(jin)棒材(cai)組織和(he)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能影(ying)響(xiang)的(de)(de)研究相(xiang)對(dui)較少。

本研究則通(tong)過對比分析不同退(tui)(tui)火溫度對Ti80合(he)(he)金(jin)棒材組織以及性(xing)能的(de)(de)影響，以期探(tan)究其中(zhong)的(de)(de)影響規律，找到使(shi)Ti80合(he)(he)金(jin)棒材獲得最佳強度、塑(su)性(xing)和沖擊軔(ren)性(xing)匹(pi)配的(de)(de)退(tui)(tui)火溫度，為(wei)Ti80合(he)(he)金(jin)棒材的(de)(de)批量化生(sheng)產以及在海(hai)洋工程中(zhong)的(de)(de)推廣(guang)應(ying)用(yong)提供一(yi)定的(de)(de)技術參考。

1、實驗

實驗(yan)原料(liao)為經真空自耗電(dian)弧(hu)爐3次熔(rong)煉而成(cheng)的(de)(de)(de)φ600mmTi80合金(jin)鑄錠，化學成(cheng)分(fen)見(jian)表(biao)1。升溫(wen)(wen)金(jin)相(xiang)法(fa)測(ce)得α+β/β相(xiang)變溫(wen)(wen)度為1005℃。首先將Ti80合金(jin)鑄錠在1150℃保溫(wen)(wen)4.5?5.5h后(hou)，采用16MN快速液壓鍛(duan)造(zao)機進行(xing)(xing)變形量為88%左右的(de)(de)(de)四鐓(dui)四拔開(kai)坯鍛(duan)造(zao)，然后(hou)用箱(xiang)式電(dian)阻爐加(jia)熱(re)(re)至相(xiang)變點以(yi)下30?50℃進行(xing)(xing)多火次鐓(dui)拔鍛(duan)造(zao)，最(zui)終鍛(duan)至φ165mm棒坯。在棒坯上切取φ165mm×20mm的(de)(de)(de)圓(yuan)片5件(jian)，其中1件(jian)用于熱(re)(re)加(jia)工(gong)態(tai)取樣(yang)，其余4件(jian)分(fen)別在箱(xiang)式電(dian)阻爐（控溫(wen)(wen)精(jing)度為±1中進行(xing)(xing)熱(re)(re)處(chu)理試驗(yan)。熱(re)(re)處(chu)理工(gong)藝分(fen)別為650、700、750、800T保溫(wen)(wen)1h后(hou)空冷。

在經4種不同退火工藝處理后的(de)圓片和熱加工態圓片上分別取(qu)弦向力學性(xing)能(neng)試樣(yang)和沖(chong)擊(ji)試樣(yang)，利用鉬絲(si)線(xian)切(qie)割在圓片1/2半(ban)徑處切(qie)取(qu)φ15mm的(de)橫向金相試樣(yang)。然(ran)后按(an)照GB/T228.1—2010《金屬材(cai)料拉伸試驗(yan)第1部分：室溫(wen)試驗(yan)方法》，采用INSTR0N4505萬能(neng)試驗(yan)機測試拉伸性(xing)能(neng)；按(an)照GB/T5168—2008《α-β鈦合金高(gao)低倍組(zu)織檢驗(yan)方法》，采用LeicaMM-6金相顯微鏡(jing)進(jin)行(xing)顯微組(zu)織觀察；按(an)照GB/T229—2007《金屬材(cai)料夏比擺錘沖(chong)擊(ji)試驗(yan)方法》，采用JB-S300A擺錘式沖(chong)擊(ji)試驗(yan)機測定試樣(yang)沖(chong)擊(ji)性(xing)能(neng)。

2、結果與分析

2.1退火溫(wen)度(du)對顯微組織的影響

圖(tu)(tu)1為Ti80合金棒材熱加(jia)工(gong)(gong)態及不同溫(wen)度退火后(hou)的(de)金相(xiang)(xiang)(xiang)照片。由(you)圖(tu)(tu)la可(ke)知，熱加(jia)工(gong)(gong)態Ti80合金棒材組織(zhi)為兩相(xiang)(xiang)(xiang)區鍛(duan)造組織(zhi)，為均勻的(de)等(deng)軸組織(zhi)。而經650T熱處理后(hou)，其顯(xian)微組織(zhi)（圖(tu)(tu)1b)與(yu)熱加(jia)工(gong)(gong)態(圖(tu)(tu)1a)相(xiang)(xiang)(xiang)比較(jiao)基本沒有變化。隨著退火溫(wen)度的(de)逐漸升高，初生(sheng)《相(xiang)(xiang)(xiang)數(shu)量(liang)有所減少，次(ci)(ci)生(sheng)《條(tiao)明顯(xian)出現析出長大(da)(da)現象（圖(tu)(tu)1d、1e)，特(te)別是從圖(tu)(tu)1d中可(ke)以明顯(xian)看(kan)出次(ci)(ci)生(sheng)α條(tiao)大(da)(da)量(liang)析出。圖(tu)(tu)1e中，次(ci)(ci)生(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)數(shu)量(liang)較(jiao)圖(tu)(tu)Id有所增加(jia)，球(qiu)狀(zhuang)α相(xiang)(xiang)(xiang)更加(jia)粗(cu)大(da)(da)。從圖(tu)(tu)lb?le可(ke)以發現，隨著退火溫(wen)度的(de)升高，組織(zhi)中次(ci)(ci)生(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)增加(jia)。

2.2退火溫(wen)度對室溫(wen)拉伸(shen)性能的影響(xiang)

表2為(wei)Ti80合(he)金(jin)棒材經不(bu)同溫度(du)熱(re)(re)處(chu)理(li)(li)后(hou)(hou)的室溫拉伸性能(neng)(neng)。從(cong)表2可(ke)以看出，熱(re)(re)處(chu)理(li)(li)溫度(du)對(dui)Ti80合(he)金(jin)棒材強(qiang)度(du)的影(ying)響并不(bu)明顯，熱(re)(re)加工態抗拉強(qiang)度(du)平(ping)(ping)均值(zhi)(zhi)為(wei)910MPa,8001熱(re)(re)處(chu)理(li)(li)后(hou)(hou)的抗拉強(qiang)度(du)平(ping)(ping)均值(zhi)(zhi)為(wei)893MPa,抗拉強(qiang)度(du)平(ping)(ping)均值(zhi)(zhi)相差僅為(wei)17MPa,屈服強(qiang)度(du)平(ping)(ping)均值(zhi)(zhi)相差也僅為(wei)9MPa。此外，經650?8001熱(re)(re)處(chu)理(li)(li)后(hou)(hou)，Ti80合(he)金(jin)棒材的強(qiang)度(du)數據波(bo)動(dong)較小，性能(neng)(neng)較為(wei)穩定。

從表2還(huan)可以看出(chu)，熱(re)處(chu)(chu)理(li)溫(wen)度(du)(du)對(dui)Ti80合金棒材延伸(shen)率和斷面(mian)收(shou)(shou)縮(suo)率的影響較(jiao)大。當(dang)熱(re)處(chu)(chu)理(li)溫(wen)度(du)(du)為6501時(shi)，棒材的延伸(shen)率與熱(re)加工態相比較(jiao)相差較(jiao)小，且均不滿足協議指標(biao)要(yao)求，這是由于性(xing)能與組(zu)織(zhi)(zhi)有密切關系，組(zu)織(zhi)(zhi)決定(ding)性(xing)能，而兩者的組(zu)織(zhi)(zhi)較(jiao)為接(jie)近（圖1a、1b)。當(dang)退火溫(wen)度(du)(du)為7001時(shi)，延伸(shen)率測(ce)試值分別為13.5%、14.0%，滿足協議指標(biao)要(yao)求；當(dang)退火溫(wen)度(du)(du)為750?800T時(shi)，熱(re)處(chu)(chu)理(li)后(hou)棒材延伸(shen)率基本(ben)穩(wen)定(ding)在15%左(zuo)右，斷面(mian)收(shou)(shou)縮(suo)率穩(wen)定(ding)在54%左(zuo)右，比650T熱(re)處(chu)(chu)理(li)棒材的延伸(shen)率高(gao)出(chu)24.5%、斷面(mian)收(shou)(shou)縮(suo)率高(gao)出(chu)10.5%。

對圖1b?1e中的顯(xian)微組織變化分(fen)析可知，隨著(zhu)熱處理溫度的不斷(duan)(duan)升高，Ti80合金(jin)(jin)棒(bang)材(cai)(cai)顯(xian)微組織中α相(xiang)形貌不斷(duan)(duan)變化，初生α相(xiang)和(he)次生α相(xiang)均(jun)逐(zhu)漸球化，組織更加均(jun)勻，殘余應力得到(dao)進一步(bu)釋放，棒(bang)材(cai)(cai)強(qiang)度有(you)所下降，塑(su)性提高。這與表2中700?8001之(zhi)間Ti80合金(jin)(jin)棒(bang)材(cai)(cai)室溫拉伸性能變化趨勢是一致的。

2.3退火溫度(du)對沖擊韌性的(de)影響

表(biao)3為Ti80合金(jin)棒(bang)(bang)材(cai)(cai)經(jing)不同溫度熱處(chu)理(li)(li)后沖擊軔性(xing)的測(ce)試值(zhi)及平(ping)均(jun)值(zhi)。從(cong)表(biao)中(zhong)可(ke)以(yi)看出，經(jing)過800T熱處(chu)理(li)(li)后Ti80合金(jin)棒(bang)(bang)材(cai)(cai)的沖擊軔性(xing)較(jiao)650T熱處(chu)理(li)(li)后高(gao)(gao)出18%左右(you)，較(jiao)7001熱處(chu)理(li)(li)后高(gao)(gao)出15.7%左右(you)，較(jiao)750T熱處(chu)理(li)(li)后高(gao)(gao)出9%左右(you)。此(ci)外，還可(ke)以(yi)發現(xian)，隨著熱處(chu)理(li)(li)溫度的升高(gao)(gao)，沖擊軔性(xing)平(ping)均(jun)值(zhi)呈現(xian)明顯(xian)上升趨勢。

結合圖1d、le，隨著(zhu)退火溫度的(de)(de)(de)升(sheng)高(gao)(gao)，初(chu)生α相(xiang)數量(liang)有(you)所(suo)減少，出現球化長大(da)趨(qu)勢，次生《相(xiang)呈條狀析出。當(dang)顯(xian)微組織(zhi)中α相(xiang)含量(liang)較少時，棒(bang)材的(de)(de)(de)沖擊軔性較高(gao)(gao)，這與(yu)沖擊微裂紋的(de)(de)(de)形核位置主要(yao)集中于初(chu)生α相(xiang)界(jie)和α與(yu)P相(xiang)界(jie)相(xiang)關[3]。此外，較粗大(da)的(de)(de)(de)等軸α組織(zhi)對裂紋擴展有(you)明(ming)顯(xian)的(de)(de)(de)阻礙(ai)作用(yong)[5]，次生《相(xiang)含量(liang)越(yue)高(gao)(gao)、越(yue)粗大(da)，相(xiang)應(ying)的(de)(de)(de)沖擊軔性越(yue)高(gao)(gao)[6]。

3、結論

(1)隨著退火(huo)溫度的(de)(de)升高，Ti80合金棒材組織中次生α相數量增加，且退火(huo)溫度對其強度的(de)(de)影(ying)響(xiang)要(yao)小(xiao)于對延伸率、斷面收縮率及沖擊軔性(xing)的(de)(de)影(ying)響(xiang)。

(2)當退火溫度(du)控制在700?800T之間(jian)時，Ti80合金棒材(cai)的(de)(de)強度(du)、塑性(xing)(xing)及沖擊(ji)性(xing)(xing)能可(ke)以達到較好的(de)(de)匹配，其抗拉(la)強度(du)約(yue)為900MPa,屈(qu)服強度(du)約(yue)為835MPa,延伸率約(yue)為14%，沖擊(ji)軔性(xing)(xing)約(yue)為64J/cm2，棒材(cai)的(de)(de)各(ge)項性(xing)(xing)能指標(biao)均滿足協(xie)議(yi)指標(biao)要(yao)求。

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