熱處理溫度對TC10鈦合金鍛棒力學(xué)性能的影響

鈦合金作為一種先進(jìn)的輕量化結(jié)構(gòu)材料,具有優(yōu)異的綜合性能,其密度小、比強度高、耐海水及海洋大氣腐蝕、無磁、透聲、抗沖擊震動、可加工性好等而成為理想的船用金屬材料。國內(nèi)在艦船上已獲得部分工程應(yīng)用的鈦合金有Ti31合金（屬635MPa)、Ti75合金（屬730 MP級)、Ti-6A1- 3Nb-1Mo合金(屬785 MPa)等。主要應(yīng)用有發(fā)射裝置中的鈦合金水缸、鞭狀天線、雷達(dá)天線支座，以及各類熱交換器、冷卻器等1-2].

艦船通信天線是實現(xiàn)無線電通信的重要部件。由于艦船特別是潛艇上層空間狹小,通信天線工作環(huán)境惡劣，天線體積和質(zhì)量對艦船通信的穩(wěn)定性和安全性有較大的影響，因而對其選材要考慮的因素很多，如要求強度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕、無剩磁等[3-5]。TC10鈦合金是在T-6Al -4V合金基礎(chǔ)上研制開發(fā)的一種高強度α+β型鈦合金。該合金具有優(yōu)良的抗腐蝕性能,在潮濕環(huán)境和海水介質(zhì)中工作,抗腐蝕能力高于1Cr18Ni9Ti，特別是對點蝕、酸蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強16-7。因此,TC10鈦合金成為艦船通信天線的材料。

TC10鈦合金具有熱處理強化效應(yīng),組織與性能對熱處理溫度敏感，獲得熱處理制度對其組織與性能的影響規(guī)律,對TC10鈦合金實際應(yīng)用具有指導(dǎo)作用，從而擴大該合金應(yīng)用范圍具有重要意義。

實驗所用原材料為О級海綿鈦，Al-V、Ti-Sn、Ti-Fe中間合金及純Cu屑。將原料按照 TC10鈦合金名義成分進(jìn)行配料,混合壓制成電極，真空自耗電弧爐熔煉3次，得到化學(xué)成分均勻且符合標(biāo)準(zhǔn)要求的鑄錠，其化學(xué)成分見表1。采用差熱法測得合金相變點為935℃。將鑄錠在油壓機上進(jìn)行開坯鍛造成o150 mm棒坯,其顯微組織如圖1所示。由圖1可以看出，$150 mm棒坯在800℃/1 h處理后,原始β晶粒邊界清晰完整，邊界α連續(xù)，粗大β晶粒中，板條狀α細(xì)長平直,屬典型的魏氏組織。棒坯先在快鍛機上進(jìn)行鍛造加工，熱加工變形量分別為50%和70%，然后在精鍛機上進(jìn)行精鍛,最終得到50 mm的成品 TC10鈦合金棒材。對成品 TC10鈦合金棒材進(jìn)行固溶處理,處理制度為:溫度分別為780、790、800、810、820 ℃，保溫時間1 h，空冷。

在熱處理后的 TC10鈦合金鍛棒上取樣。用MPG3立式金相顯微鏡觀察TC10鈦合金棒材顯微組織。按照 GB/T 228《金屬材料室溫拉伸試驗法》要求,用 INSTRON 1185萬能拉伸試驗機測試棒材室溫拉伸性能，用JEOL JSM 6460掃描電子顯微鏡觀察拉伸試樣的斷口形貌。

結(jié)果與討論

熱處理溫度對TC10鈦合金鍛棒力學(xué)性能的影響

將同種規(guī)格棒坯分別經(jīng)過50%、70% 2個不同變形量鍛造加工后,截取拉伸試樣。采用不同熱處理溫度對拉伸試樣進(jìn)行熱處理,測得棒材室溫拉伸性能如表2所示。由表2可以看出，在熱處理溫度相同條件下(810 ℃/1 h AC)，棒材加工變形量為70%時,其抗拉強度為1020 MPa，較50%變形量提高2%﹔延伸率為21%，較50%變形量提高50% ;斷面收縮率為55%，較50%變形量提高100%。在本研究選定的熱處理制度范圍內(nèi),隨著熱處理溫度的提高，TC10鈦合金棒材抗拉強度由1045 MPa逐漸降低為1000 MPa，屈服強度也呈降低的趨勢。延伸率及斷面收縮率都呈現(xiàn)出先升高后再降低的規(guī)律,在熱處理溫度為800 ~810℃時，棒材塑性達(dá)到最佳。

熱處理溫度對 TC10鈦合金鍛棒組織的影響

變形量為70%的p50 mm精鍛棒，分別經(jīng)過780℃/1 h、800 ℃/1 h熱處理后的顯微組織見圖3。由圖3可以看出，與p150 mm棒坯相比,鍛造后的棒材顯微組織明顯細(xì)化。經(jīng)過780 ℃/1 h熱處理后,鍛棒顯微組織為等軸α(圖3a)，等軸α具有良好的塑性和較高的斷面收縮率。熱處理溫度升高到800℃時，等軸α更細(xì)小(圖3b)，而細(xì)小的等軸α具有更高的塑性和較高的斷面收縮率，這與表2列出的室溫拉伸性能相一致。

圖4是TC10鈦合金經(jīng)過兩種工藝熱處理后的室溫拉伸斷口 SEM形貌。可以看出，780 ℃/1 h熱處理后，宏觀上棒材拉伸斷口呈韌性斷裂(圖4a)，當(dāng)斷口在高倍下觀察時(圖4c)，可以看到斷面上分布著很多韌窩，但韌窩較淺，大小不一。當(dāng)熱處理溫度升高到800℃時，斷口形貌宏觀上呈現(xiàn)韌性斷裂(圖4b)，高倍下(圖4d)可以看到，斷口形貌呈延性穿晶斷裂，韌窩更深，更均勻，呈現(xiàn)出更好的塑性。

結(jié)論

(1)TC10鈦合金棒坯的熱加工變形量達(dá)到70%時，得到的棒材呈現(xiàn)出較好的強度和塑性。

(2)熱鍛變形量為70%的TC10鈦合金棒材經(jīng)過800 ~810 ℃/1 h+空冷的固溶熱處理后，棒材的塑性和強度達(dá)到了良好匹配，具有較佳的綜合力學(xué)性能。其顯微組織由細(xì)小等軸α及β相組成。