熱處理溫度對TA7鈦合金板材組織與力學性能的影響

TA7鈦合金的名義化學成分為Ti-5Al-2.5Sn，是一種中等強度的α型單相鈦合金，具有比強度高、焊接性能好、耐低溫性優(yōu)良、斷裂韌性高和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可長期在500℃工作，被廣泛用作飛機發(fā)動機環(huán)鍛件、機匣殼體及飛機蒙皮等[1-4]。

TA7鈦合金板材生產(chǎn)過程中，由于軋制變形抗力大，加工塑性差，板材邊部經(jīng)常會產(chǎn)生大量裂紋，因而研究人員進行了大量關于改善TA7鈦合金塑性的研究。龐洪等[5]研究了不同軋制工藝對TA7鈦合金板材組織及力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用包覆疊軋工藝生產(chǎn)的TA7鈦合金板材組織細小、均勻，具有比冷軋工藝更好的深沖性及較高的成品率；王韋琪等[6]研究了Fe元素對TA7鈦合金工藝特性及低倍組織、力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)加入適量的Fe元素可以降低相變點，改善TA7鈦合金熱加工及冷加工工藝塑性，降低熱加工及冷加工開裂傾向；邢秋麗等[1]研究了軋制工藝對TA7鈦合金板材外觀、力學性能和組織的影響，發(fā)現(xiàn)在高溫下進行一火軋制可以明顯減少裂紋；周玉川等[7]研究了軋制工藝對TA7鈦合金板材表面開裂的影響，發(fā)現(xiàn)采用溫軋代替冷軋，可以有效防止板材表面開裂。

包覆疊軋工藝是一種加工鈦合金薄板的有效手段[8]。近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)利用該工藝生產(chǎn)TA7鈦合金板材，通過熱軋直接軋制成成品，可以有效簡化工藝，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本[9]。但是，目前鮮有關于包覆疊軋TA7鈦合金成品板材熱處理研究的報道。為此，本研究以包覆疊軋工藝生產(chǎn)的TA7鈦合金熱加工態(tài)板材為原材料，對其進行不同溫度的熱處理，分析熱加工態(tài)和熱處理后板材組織和性能的差異，建立熱處理–組織–性能的關系，以期為TA7鈦合金板材工業(yè)化生產(chǎn)中熱處理工藝的制定提供參考。

1、實驗

實驗材料為采用包覆疊軋工藝生產(chǎn)的1.0mm厚TA7鈦合金熱加工態(tài)板材，金相法測定相變點為1010℃，其化學成分見表1。采用輥底式電加熱爐對TA7鈦合金板材進行熱處理，熱處理溫度分別為750、800、850℃，保溫時間均為30min，冷卻方式均為空冷。

從熱加工態(tài)和經(jīng)不同溫度熱處理后的TA7鈦合金板材上分別切取橫向（T）、縱向（L）試樣，進行顯微組織觀察以及室溫力學性能、彎曲性能及高溫力學性能檢測。金相試樣在腐蝕液（10mLHF+25mLHNO3+60mLC3H8O3＋20mLH2O）中浸蝕7s后，按照GB/T5168—2020標準在AXIOVERT200MAT金相顯微鏡下進行組織觀察；按照GB/T228.1—2010標準在INSTRON5885電子萬能材料拉伸試驗機上測試室溫拉伸性能；按照GB/T232—2010標準在TC-12-029彎曲機上測試彎曲性能，彎曲壓頭直徑為3mm；按照GB/T228.2—2015標準在TSE105D-Z高溫拉伸試驗機上測試高溫拉伸性能；分別在350℃/440MPa和500℃/195MPa條件下，按照GB/T2039—2012標準在RD-50微控電子式蠕變持久試驗機上測試高溫持久性能，測試時間121h（GJB2505A—2018標準要求不少于100h）。

2、結(jié)果與分析

2.1熱處理溫度對顯微組織的影響

圖1為熱加工態(tài)TA7鈦合金板材橫向與縱向的顯微組織。從圖1可以看出，熱加工態(tài)板材橫向存在不均勻組織（圖1a），縱向有較多拉長α晶粒和少量等軸α晶粒（圖1b），這是由于板材在熱軋過程中，硬化和軟化同時出現(xiàn)，熱軋后縱向組織呈拉長狀，靜態(tài)再結(jié)晶不完全所導致的。

圖2為經(jīng)不同溫度熱處理后TA7鈦合金板材橫向與縱向的顯微組織，其中圖2a~2c為板材橫向顯微組織，圖2d~2f為板材縱向顯微組織。由圖2可以看出，經(jīng)750℃熱處理的TA7鈦合金板材橫向為等軸組織和少量的不均勻組織，縱向為等軸組織和少量拉長α晶粒（見圖2a、2d），均為不完全再結(jié)晶組織。經(jīng)800℃熱處理后TA7鈦合金板材橫向與縱向均為均勻、細小的等軸組織，平均晶粒尺寸為9.4μm，此時板材已完全再結(jié)晶（見圖2b、2e）。經(jīng)850℃熱處理后TA7鈦合金板材橫向與縱向均為均勻的等軸組織，板材晶粒發(fā)生長大，平均晶粒尺寸為11.2μm（見圖2c、2f）。包覆疊軋后的TA7鈦合金板材畸變能較大，有很強的再結(jié)晶趨勢，因而隨著熱處理溫度升高，再結(jié)晶形核與長大都將以更快的速度進行，促使晶粒長大。

2.2熱處理溫度對室溫力學性能的影響

熱加工態(tài)及經(jīng)不同溫度熱處理后的TA7鈦合金板材室溫拉伸性能和彎曲性能如表2所示。從表2可以看出，熱加工態(tài)板材強度最高，延伸率最低，彎曲性能不合格，說明熱加工態(tài)板材產(chǎn)生了較大的加工硬化，這與終軋溫度較低有關。經(jīng)不同溫度熱處理后，TA7鈦合金板材橫向與縱向的抗拉強度接近，室溫拉伸性能、彎曲性能均符合GJB2505A—2018標準要求，且室溫拉伸性能富余量較大。與熱加工態(tài)板材相比，強度降低，延伸率增大，說明熱處理可以有效降低板材強度，提高塑性。

此外，隨著熱處理溫度的升高，板材強度降低，延伸率變化不大。

2.3熱處理溫度對高溫力學性能的影響

熱加工態(tài)及經(jīng)不同溫度熱處理后的TA7鈦合金板材高溫拉伸性能和高溫持久性能如表3所示。從表3可以看出，熱加工態(tài)TA7鈦合金板材在350℃和500℃的高溫抗拉強度均較高，熱處理后的高溫抗拉強度較低。隨著熱處理溫度的升高，板材高溫抗拉強度逐漸降低，其中經(jīng)750℃和800℃熱處理后板材的高溫拉伸性能均符合GJB2505A—2018標準要求，而850℃熱處理后不符合500℃高溫抗拉強度的要求。從表3還可以看出，熱加工態(tài)及經(jīng)不同溫度熱處理后的TA7鈦合金板材在350℃/440MPa、500℃/195MPa條件下的高溫持久性能均滿足GJB2505A—2018標準要求。

綜合以上分析，為了獲得均勻、細小的組織及良好的力學性能，TA7鈦合金板材宜采用800℃熱處理。

3、結(jié)論

(1)熱加工態(tài)TA7鈦合金板材橫向存在不均勻組織，縱向有較多拉長α晶粒。經(jīng)750℃熱處理后板材拉長α晶粒基本轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S狀；經(jīng)800℃熱處理后板材橫向與縱向均為均勻、細小的等軸組織；經(jīng)850℃熱處理后板材橫向與縱向均為均勻的等軸組織，平均晶粒尺寸較800℃熱處理的板材有所長大。

(2)經(jīng)750、800、850℃3種不同溫度熱處理后的TA7鈦合金板材，其橫向與縱向的抗拉強度接近，與熱加工態(tài)板材相比，強度降低，延伸率增大；隨著熱處理溫度的升高，板材室溫拉伸強度和高溫拉伸強度均逐漸降低。

(3)為了獲得均勻、細小的組織及良好的力學性能，TA7鈦合金板材宜采用800℃熱處理。

參考文獻References

[1]邢秋麗,王蕊寧,朱曉翠,等.制備工藝對TA7鈦合金板材外觀、力學性能和組織的影響[J].鈦工業(yè)進展,2015,32(3):26-29.

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