双(shuang)重(zhong)退(tui)火对(dui)TA10钛(tai)合金组(zu)织(zhi)与(yu)拉(la)伸(shen)性(xing)能(neng)的(de)影(ying)响

引(yin)言(yan)

钛(tai)及钛合(he)金(jin)具有(you)低密(mi)度(du)、耐(nai)蚀(shi)性(xing)好、比(bi)强高(gao)等特点，被广泛(fan)应用(yong)于(yu)航天、航(hang)海(hai)、生物(wu)和(he)化工(gong)等(deng)领域[1-2]。 TA10 钛合(he)金(名(ming)义成分为(wei) Ti-0.3Mo-0.8Ni)是(shi)一种近α型钛(tai)合(he)金，强度中等、耐蚀(shi)性优(you)异(yi)，主要用(yong)于(yu)化工(gong)搅拌器(qi)和(he)承力框(kuang)等构件(jian)[3-4]。 随(sui)着钛(tai)工业(ye)的(de)发(fa)展，TA10 钛合金(jin)的(de)应(ying)用领域也(ye)在不断扩(kuo)展。 通常(chang)，TA10 合(he)金(jin)首(shou)先在(zai)β相(xiang)区(qu)温(wen)度开(kai)坯锻(duan)造(zao)，随(sui)后在α＋β 两相(xiang)区(qu)温(wen)度(du)多火次锻(duan)造，再(zai)进(jin)行(xing)热(re)处理。目前(qian)，对(dui) TA10 钛(tai)合(he)金(jin)热处(chu)理的研(yan)究主(zhu)要(yao)是固(gu)溶和时效(xiao)处理(li)，对(dui)其他(ta)热处理(li)工艺(yi)的(de)研(yan)究(jiu)较(jiao)少。 本(ben)文对 TA10 钛合(he)金进行(xing)双(shuang)重退(tui)火(huo)处理，研究双(shuang)重(zhong)退火工艺对合金微(wei)观组织(zhi)和拉伸性(xing)能的(de)影响(xiang)，探索最佳的(de)双重(zhong)退火工艺(yi)，为(wei)该合金(jin)的实际(ji)工程(cheng)应(ying)用(yong)提供(gong)理(li)论支撑(cheng)。

1、 试验材料(liao)与方(fang)法

研(yan)究(jiu)用 TA10 钛合(he)金(jin)铸(zhu)锭采用(yong)真空(kong)自(zi)耗(hao)熔(rong)炼炉制(zhi)备，首(shou)先(xian)在(zai)单(dan)相区开坯锻造(zao)，随后在两相(xiang)区(qu)多(duo)火次(ci)锻(duan)造(zao) 成 ϕ 135mm棒 材(cai)。 化(hua)学(xue)成分(fen)为 ( 质(zhi) 量 分数(shu)，％)0.299％ Mo、0.76％ Ni、0.042％ Ｏ、0.068％Fe、Ti 余量(liang)。 采(cai)用差热法测(ce)定(ding)试(shi)验(yan)用合(he)金的(de)相变(bian)点(dian)为(wei) 890 ℃。 为(wei)了研(yan)究双重退(tui)火温(wen)度对(dui)合金显微组织和(he)拉伸性能的影(ying)响(xiang)，对(dui)合(he)金进行(xing)了 4 种工(gong)艺的(de)双重(zhong)退(tui)火，如表 1 所(suo)示(shi)。

热(re)处理后(hou)，制备拉(la)伸试样(yang)，随后(hou) Ｉｎｓｔｒｏｎ５8５9 试验(yan)机按(an) GB/T  228。1—2012《金(jin)属(shu)材料(liao)拉伸(shen)实(shi)验第(di) 1部分(fen):室(shi)温实验方(fang)法》进行室温(wen)拉伸性(xing)能(neng)试验(yan)，并(bing)采(cai)用 Ａｘｉｏｕｅｒｔ 光(guang)学(xue)显(xian)微(wei)镜(jing)和(he) ＪＳＭ- 6460 扫描(miao)电子显微(wei)镜进行(xing)金 相 检 验(yan)。 金 相(xiang) 试(shi) 样(yang) 采(cai) 用 体 积 分 数 比 为ＨＦ ∶ ＨＮＯ3∶ 乳(ru)酸(suan)＝ 1 ∶ 3 ∶ ５ 的溶液(ye)浸(jin)蚀(shi)。

2 、试验结果与(yu)分析(xi)

2.1 显(xian)微(wei)组织(zhi)

图 1 为 TA10 钛合金(jin)经(jing)不同(tong)工艺双重(zhong)退(tui)火(huo)后的(de)显微组织(zhi)，可(ke)以(yi)发(fa)现，图 1(ａ)显(xian)微(wei)组织(zhi)由初(chu)生(sheng)α相(位(wei)置(zhi) Ａ)与(yu)β转变组(zu)织(位置 Ｂ)组成，初(chu)生α相(xiang)以等轴(zhou)状(zhuang)为(wei)主，也(ye)有大(da)块(kuai)片(pian)状(zhuang)，而(er)β转变组织(zhi)中次(ci)生 α相很(hen)细小。 随着双重退火(huo)的(de)首次退(tui)火温(wen)度(du)的(de)升高，如图(tu) 1(ｂ，ｃ) 所示(shi)，组织仍(reng)由等(deng)轴状(zhuang)初(chu)生α相(xiang)和 β转(zhuan)变组(zu)织构(gou)成，但(dan)初生(sheng)α相(xiang)含(han)量明(ming)显(xian)减(jian)小(xiao)，而β转变组(zu)织含(han)量(liang)明(ming)显(xian)增加(jia)，且次生α相(xiang)明(ming)显增(zeng)多(duo)(位(wei)置Ｃ)。 首次退(tui)火温(wen)度(du)提高(gao)至单(dan)相(xiang)区(qu)后，如(ru)图 1(ｄ) 所示(shi)，合(he)金(jin)中(zhong)的(de)初(chu)生α相(xiang)全部消(xiao)失(shi)，组(zu)织(zhi)以(yi)粗大β晶(jing)粒为主，并有明(ming)显(xian)的α相存(cun)在(zai)，在粗大(da)β晶(jing)粒(li)内有(you)大量均(jun)匀分布(bu)的(de)次生α相(xiang)。

合金在(zai)加热(re)过程中(zhong)将发(fa)生 α→β 相转(zhuan)变，温度(du)越(yue)高(gao)该转变(bian)越完全，温(wen)度(du)升高(gao)至(zhi)单相区后(hou)，α 相(xiang)完全转变(bian)为(wei)β相[５]。 在冷(leng)却过程中(zhong)，合金(jin)会发生 β→α相(xiang)转变(bian)，当(dang)温度(du)位于(yu)两相区时(shi)，合金中(zhong)α相由(you)两(liang)部分(fen)组成，即加热(re)过程(cheng)中(zhong)未转(zhuan)变的(de)α相(xiang)及 β→α 相(xiang)转(zhuan)变析出(chu)的α相。 加(jia)热温(wen)度(du)越高(gao)，冷(leng)却时间越长，合金中(zhong)析(xi)出(chu)的(de)次(ci)生(sheng)α相(xiang)越多。 在(zai) ５60 ℃ ×4 ｈ 空(kong)冷(leng)的(de)第(di)二(er)次(ci)退(tui)火(huo)过程(cheng)中，次(ci)生(sheng)α相(xiang)会(hui)进一(yi)步长大。 温(wen)度升(sheng)高(gao)至单相(xiang)区(qu)后，合金(jin)中α相(xiang)完(wan)全(quan)转变为β相，在冷却及(ji)第二(er)次退(tui)火过(guo)程中(zhong)，析出的(de)次生(sheng)α相(xiang)长(zhang)大(da)，直至相互(hu)接(jie)触(chu)[6]。

2.2 拉伸(shen)性(xing)能(neng)

图 2 为不同工艺(yi)双重(zhong)退(tui)火的(de) TA10 钛(tai)合(he)金的拉(la)伸(shen)性(xing)能，可(ke)以发现，随着(zhe)双(shuang)重退(tui)火的第一(yi)次退(tui)火(huo)温度(du)的升高，合(he)金(jin)的强(qiang)度升(sheng)高(gao)，抗(kang)拉强(qiang)度(du)从(cong) ５37 MPa 升(sheng)高至(zhi) ５78 MPa， 屈(qu)服强(qiang)度(du)从(cong) 441 MPa 升高(gao)至 488MPa，而(er)合金(jin)的(de)塑(su)性(xing)则呈(cheng)现相反(fan)的趋势(shi)，即随着(zhe)首(shou)次退(tui)火(huo)温(wen)度(du)的(de)升高(gao)， 合(he)金塑性(xing)降(jiang)低(di)， 断(duan)后(hou)伸(shen)长(zhang)率(lv)从26％降低(di)至 3％。

文(wen)献(xian)[7]表(biao)明，六(liu)方(fang)马氏体 α′相、斜(xie)方马氏体 α″相、初(chu)生α相以(yi)及(ji)次生α相(xiang)均影响钛合金的(de)拉伸性能。 本文的(de)热(re)处(chu)理(li)为双重退火，在(zai)双(shuang)重(zhong)退(tui)火过程中，合(he)金(jin)中(zhong)六方马(ma)氏(shi)体 α′相与(yu)斜(xie)方马(ma)氏体 α″相(xiang)均(jun)会(hui)发生(sheng)分(fen)解，最(zui)终形(xing)成α相(xiang)和β相(xiang)，α 相(xiang)形貌(mao)是影响(xiang)TA10 钛合金拉(la)伸(shen)性(xing)能的(de)主要因素(su)。 由(you)于初生α相(xiang)的(de)晶(jing)体(ti)取(qu)向(xiang)通常(chang)是无序(xu)的(de)，在(zai)拉(la)伸(shen)过程(cheng)中(zhong)能激(ji)活较多(duo)的滑移(yi)系，能(neng)提(ti)高(gao)合(he)金塑性，故(gu)随着第一次退火(huo)温度(du)的升(sheng)高(gao)，合(he)金塑性(xing)降低(di)[8]。 此外(wai)，因(yin)为次(ci)生(sheng)α相(xiang)很(hen)细(xi)小(xiao)，在拉(la)伸试验过(guo)程(cheng)中(zhong)，细小的(de)次生(sheng)α相(xiang)会阻碍(ai)位错滑(hua)移(yi)，即产生位(wei)错(cuo)塞积，故随(sui)着首次(ci)退火温(wen)度的升高，合(he)金(jin)中次(ci)生(sheng)α相(xiang)含量增(zeng)加，其(qi)强(qiang)度提高(gao)。

2.3 断(duan)口(kou)分析

图(tu) 3 为(wei)经(jing)不(bu)同工艺(yi)双重退(tui)火的(de) TA10 钛(tai)合金拉(la)伸试样断口(kou)的(de)微(wei)观(guan)形(xing)貌(mao)。 由(you)图(tu) 3 可知，当(dang)双(shuang)重退(tui)火的首(shou)次(ci)退火(huo)温度(du)在两(liang)相(xiang)区时，断口有大量(liang)等轴韧窝(wo)(位置(zhi) Ｄ)，且部(bu)分尺寸(cun)较(jiao)大的(de)韧窝中有(you)一定数量的(de)小(xiao)韧(ren)窝。 合(he)金(jin)的塑性与(yu)韧窝的数量和(he)尺(chi)寸有(you)关，断(duan)口(kou)韧(ren)窝(wo)越(yue)多(duo)，合金的(de)塑(su)性越(yue)好[9]。 还发(fa)现，随(sui)着(zhe)首次退(tui)火(huo)温度(du)的升(sheng)高，如(ru)图 3(ａ~ ｃ)所(suo)示，断(duan)口韧(ren)窝减(jian)少(shao)，即合(he)金塑性降(jiang)低，与图 2 所示结果一致。 当(dang)首次退火(huo)升高至单(dan)相区后(hou)，如(ru)图 3(ｄ) 所示(shi)，断(duan)口呈岩石(shi)状(zhuang)，韧(ren)窝很少，有明显的撕裂棱(leng)(位(wei)置 Ｆ)，合(he)金的(de)塑性较(jiao)差(cha)，强度较(jiao)高。 此(ci)外，如(ru)图(tu) 3(ｂ)所(suo)示，断口(kou)有(you)二次(ci)裂纹(位(wei)置 Ｅ)，且图(tu) 3(ｃ) 和(he)图 3(ｄ) 中(zhong)二次裂(lie)纹更明(ming)显，这是由(you)于组织(zhi)中析出(chu)大(da)量次(ci)生(sheng)α相(xiang)所(suo)致(zhi)。

拉(la)伸(shen)试(shi)验(yan)时，试样(yang)中会(hui)形成裂(lie)纹(wen)并(bing)扩(kuo)展，当裂(lie)纹(wen)扩展至(zhi)次生(sheng)α相(xiang)时(shi)，扩展(zhan)路(lu)径(jing)会发(fa)生(sheng)改变(bian)，即(ji)沿(yan)垂直于(yu)原(yuan)扩展路(lu)径(jing)的方(fang)向(xiang)扩(kuo)展(zhan)，从(cong)而形(xing)成二(er)次裂纹[10]。

3、 结(jie)论

(1)当(dang)双重(zhong)退火(huo)的(de)首(shou)次(ci)退火温(wen)度(du)在两(liang)相(xiang)区(qu)时(shi)，TA10 钛(tai)合(he)金显微组织由初(chu)生(sheng)α相与(yu)β转变组(zu)织构(gou)成，且(qie)随(sui)着(zhe)首(shou)次(ci)退(tui)火(huo)温度(du)的(de)升(sheng)高，初生α相(xiang)减(jian)小(xiao)，而(er)β 转(zhuan)变(bian)组织增(zeng)多(duo)，且次生(sheng)α相(xiang)体(ti)积明(ming)显增大。 当首(shou)次退火(huo)温度在(zai)单(dan)相(xiang)区时，初(chu)生(sheng)α相(xiang)全(quan)部消(xiao)失(shi)，组织(zhi)(2)随着(zhe)首次(ci)退(tui)火温(wen)度(du)的升高，合(he)金强(qiang)度升(sheng)高(gao)，

抗拉强(qiang)度(du)从(cong) ５37 MPa 升(sheng)高至 ５78 MPa，屈服(fu)强度从441 MPa 升(sheng)高(gao)至(zhi) 488 MPa，塑(su)性(xing)则呈现(xian)相(xiang)反的(de)变(bian)化(hua)趋(qu)势，即随(sui)着(zhe)首次(ci)退(tui)火温(wen)度(du)的升(sheng)高(gao)，合(he)金塑(su)性降低(di)，断后(hou)伸长(zhang)率(lv)从 26％降低至 3％。

(3)当双(shuang)重退火的(de)首(shou)次(ci)退火(huo)温(wen)度在两(liang)相(xiang)区时(shi)，拉(la)伸断(duan)口(kou)有(you)大量(liang)等轴(zhou)状韧窝(wo)，当(dang)首次退(tui)火温度(du)升高至(zhi)单(dan)相区(qu)后(hou)，拉(la)伸断口呈岩(yan)石状(zhuang)，并(bing)有明(ming)显的撕裂棱。

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相(xiang)关(guan)链(lian)接