高温热处理温度对Ti80钛合金挤压管材组织性能的影响

凤伟中，王小翔，张耀斌

（宝鸡钛业股份有限公司，陕西 宝鸡 721014）

Ti80是我国自主研制的一种近α型钛合金，其名义成分为Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo，对应于国标中TA31合金。该合金力学性能与国外的Ti-6Al-2Nb1Ta0.8Mo合金相当，其主要特点是，具有高强度、高韧性、抗腐蚀性好以及焊接能优良的特点，主要作为结构材料应用于航洋工程领域，尤其是在舰船、石油、化工等领域应用较多。由于在一些特殊环境下，如舰船和潜艇在海水工况下长期工作时，不但会受到海水中各种离子的腐蚀，而且要承受一定的强度和冲击作用，尤其是大的冲击载荷，因此在输送、储存具有腐蚀介质的应用方面，Ti80材料制备的管路系统和容器成为首选。

双态组织是指，组织中α有两种形态，一种是等轴状的初生α，另一种是β转变组织中的片状α。与初生α相对应，此片状α也称为次生片状α。两相钛合金一般采用两相区上部温度变形，或者在两相区变形后，再加热到两相区上部温度后冷却，即可得到双态组织。

本文主要通过研究双态组织状态的钛合金挤压管材制备工艺、热处理工艺和组织性能影响关系，采用两相区上部温度变形及高温热处理工艺路线，制备出抗拉强度、屈服强度、塑性、冲击功和组织等，综合性能满足指标要求的Ti80钛合金管材。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

Ti80钛合金锭坯是宝鸡钛业股份有限公司，经三次真空自耗电弧炉熔炼制备的Φ810mm铸锭，采用金相法测得α+β/β相变点为992℃，铸锭的化学成分符合表1要求。

表1 Ti80钛合金铸锭化学成分

铸锭经3150t水压机自由锻压机在相变点上经过多次开坯锻造后，最终在两相区精锻，制成挤压管材用棒坯。锻造后的棒坯，加热到相变点以下20℃～40℃温度，在3150t卧式水压机上挤压出φ150×Lmm Ti80钛合金管材。

1.2 实验方法

从挤压制备的Ti80管材端头，切取φ150×100mm管段试样，进行管段整体热处理，试样热处理制度见表2，取样示意图见图1。经过热处理后的管材，利用电火花线切割机，取金相、拉伸及冲击功试样。金相试验试样大小为10×10×10mm方块，采用配比HF∶HNO3∶H2O为1∶3∶10(体积比)腐蚀剂进行腐蚀，然后在OLYM PU SPM G3金相显微镜上对管材纵横向组织观察分析。管材拉伸试样加工成工作区直径为5mm、长度为50mm标准拉伸试样，在IN-ST RON 1185万能拉伸机上，按照GB/T228.1标准要求，进行室温拉伸性能检测。管材的冲击试样加工成10×10×55mm规格，V型缺口为45°×2mm，利用N1500C冲击试验机，按照GB/T229标准进行室温冲击性能检测。

表2 Ti80钛合金管材试样的热处理制度

图1 Ti80管材取样示意图

2 结果与分析

2.1 热处理温度对显微组织的影响

图2为挤压后管材及不同热处理温度退火后Ti80管材显微组织。图2中a和b分别是Ti80钛合金热挤压管材热处前纵横向显微组织照片，从图中可以看出，挤压后管材纵向显微组织具有明显的金属流向，挤压态管材组织主要以拉长的α相为主，初生α相比例占60%以上，并存在少量次生α相析出。

图2 Ti80钛合金管材经不同制度热处理后的显微组织

图c～h为相变点下不同温度热处理后纵横向显微组织照片。

对比管材热处理前后显微组织可以发现，初生α相含量变化非常大，随着退火温度的升高，初生α相含量快速减少，次生α相含量增多。在950℃退火后，部分α相组织仍然呈现出一定的拉长形态，而在970℃温度热处理后，其纵向拉长的变形α相组织全部呈等轴状，并且次生α相随之增多变厚。在接近相变点温度热处理后，初生α相含量减少到5%以下，β转变组织含量大幅增加，其显微组织以不同取向的针状α相、晶界α相及β转变组织构成，完整的β晶界逐渐清晰。因此，通过控制挤压管材的热处理温度，可以达到调整管材双态组织形貌的目的。

2.2 热处理温度对力学性能的影响

Ti80钛合金挤压管材在不同热处理工艺下的拉伸和室温冲击性能见图3。由图3可知，经相变点以下高温热处理后的钛合金管材，随热处理温度的升高，抗拉强度基本变化不大，屈服强度随温度升高有所降低，塑性随热处理温度增大先升高后降低。冲击功在970℃以下温度热处理时，随温度升高冲击功略微增大，当超过该温度靠近相变点热处理后，冲击功明显降低，但还是维持63J的较高水平。

图3 不同温度热处理后Ti80钛合金拉伸性能和冲击功

Ti80双态组织挤压管材的室温力学性能，由等轴状的初生α相与β转变组织中的次生α相共同参决定，在相变点下高温退火时，随着热处理温度升高，管材再结晶组织状态与次生α相组织此消彼长，因此，在宏观性能上表现出室温强度随热处理温度变化不大。塑性和冲击功主要与组织类型和形貌有关，在拉伸变形过程中，等轴状α相相对于片层状α相参与滑移过程的α相多，且承受变形量大，致使金属拉伸断裂前变形量更大，因此在950℃热处理后的组织状态表现出更好塑性。990℃热处理后的管材，相对其他温度热处理后的冲击功较低，主要在于组织形态差异。相变点附近热处理后管材的层片状次生α相组织较薄，裂纹扩展相对较容易，不能形成有效的阻碍作用，因此相对较低温度热处理后的双态组织冲击性能偏低。

3 结论

（1）随着热处理温度升高，管材显微组织由拉长的变形组织过渡到双态组织，当退火温度接近相变点时，呈现魏氏组织特征。

（2）Ti80钛合金热挤压管材在相变点下20℃～40℃，退火时可以制备出满足双态组织要求的管材。

（3）Ti80钛合金管材经950℃/60min/AC方式热处理后，力学性能和室温冲击功综合性匹配较好。