鈦合金板材的熱處理工藝研究范文

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鈦?zhàn)鳛橐环N耐蝕結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、制鹽、印染、制藥、食品、海水淡化等領(lǐng)域，但是在高溫、高濃度的氯化物中，純鈦會發(fā)生縫隙腐蝕，影響使用壽命。為了解決純鈦在高溫、高濃度氯化物中的縫隙腐蝕問題，人們研制了一種新型鈦合金———Ti-0.2Pd合金。該合金在還原性介質(zhì)和熱濃氯化物中具有抗局部腐蝕的能力，但由于添加有貴金屬鈀，成本較高，使其應(yīng)用受到了限制。20世紀(jì)70年代中期，美國鈦金屬公司研制了Ti-0.3Mo-0.8Ni合金。該合金為近α型鈦合金，在高溫、高濃度氯化物中具有良好的抗縫隙腐蝕能力，可以部分取代成本較高的Ti-0.2Pd合金［3－4］，已被美國、英國、俄羅斯、日本、法國、德國等國家列入了國家標(biāo)準(zhǔn)，并投入工業(yè)化生產(chǎn)。

20世紀(jì)80年代，我國開始對Ti-0.3Mo-0.8Ni合金進(jìn)行材料加工和應(yīng)用方面的研究，也將其列入我國國家標(biāo)準(zhǔn)(對應(yīng)我國牌號TA10)，并在純鈦可能出現(xiàn)縫隙腐蝕的環(huán)境中得到了應(yīng)用。如1985年3月首次應(yīng)用于湘澧鹽礦真空制鹽的一效加熱室，1986年4月應(yīng)用于塘沽鹽場氯化鎂蒸發(fā)罐的加熱室。南京寶泰特種材料公司承接了國外某鉀肥工程生產(chǎn)裝置用鈦鋼復(fù)合材料的訂單。該復(fù)合材料覆層為3mm厚的TA10鈦合金板材。根據(jù)GB/T3621—2007《鈦及鈦合金板材》標(biāo)準(zhǔn)，常規(guī)板材需滿足A類要求，斷后伸長率達(dá)到18%即可，而后續(xù)用于爆炸焊接的板材需滿足B類要求，斷后伸長率應(yīng)達(dá)到25%以上。為保證爆炸復(fù)合工藝對鈦合金板材塑性的要求，可采用硬度低的0級海綿鈦?zhàn)鳛樵仙a(chǎn)板材，以達(dá)到后續(xù)工序?qū)λ苄灾笜?biāo)的要求，但這樣勢必會增加原材料的成本。本實(shí)驗(yàn)采用2級海綿鈦?zhàn)鳛樵现苽銽A10鈦合金板材，通過研究不同熱處理制度對TA10鈦合金板材組織和性能的影響，探尋合適的熱處理制度，以期獲得塑性指標(biāo)能夠滿足后續(xù)爆炸復(fù)合工藝要求的TA10鈦合金板材。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料采用2級海綿鈦、鎳－鉬中間合金，經(jīng)過兩次真空自耗熔煉制備直徑為560mm的TA10鈦合金鑄錠，其化學(xué)成分見表1。鑄錠經(jīng)鍛造開坯、銑面、修磨等工序制成熱軋板坯，再在1680軋機(jī)上經(jīng)兩火軋制成3.0mm厚的板材。圖1為軋制態(tài)TA10鈦合金板材的金相照片，其組織為極細(xì)的條帶狀軋制態(tài)變形組織。表2為軋制態(tài)TA10鈦合金板材的室溫力學(xué)性能。

1.2熱處理熱處理試驗(yàn)采用SX2-2.5-10型電阻爐，溫度誤差±5℃。TA10鈦合金為近α型合金，冷卻速度對其組織和性能影響不大，退火溫度一般應(yīng)選擇在α+β/β相變點(diǎn)以下120～200℃。因此，在3.0mm厚熱軋TA10鈦合金板材上切取熱處理試樣，進(jìn)行不同溫度退火處理，退火溫度分別為550、600、650、700、750、800℃，保溫時(shí)間均為30min，冷卻方式為空冷。在退火后的板材上取樣，進(jìn)行顯微組織觀察和力學(xué)性能測試，探尋合適的退火溫度。在優(yōu)選的退火溫度下，進(jìn)行不同保溫時(shí)間的退火處理，保溫時(shí)間分別為15、30、60、120、180min。取樣觀察不同時(shí)間退火后板材的顯微組織并測試力學(xué)性能，最終獲得合適的熱處理制度。

2結(jié)果與討論

2.1熱處理溫度對板材組織和力學(xué)性能的影響TA10鈦合金熱軋板材經(jīng)不同溫度保溫30min并空冷的退火處理后的室溫力學(xué)性能及顯微組織見表3和圖2。由表3可見，TA10鈦合金板材經(jīng)550℃×30min/AC退火處理后，由加工硬化引起的強(qiáng)度高和塑性較差的現(xiàn)象并未得到消除;在550～650℃之間，隨著熱處理溫度的升高，板材的加工硬化現(xiàn)象逐漸得到消除，抗拉強(qiáng)度逐漸降低，塑性略有提高;在650～700℃之間，熱軋板材的強(qiáng)度幾乎不變，而塑性顯著提高;在750～800℃之間，熱軋板材的抗拉強(qiáng)度仍保持不變，而斷后伸長率卻在減小，板材塑性變差。由圖2可以看出，TA10鈦合金板材在700℃以下主要發(fā)生回復(fù)過程，組織為條帶狀的軋制變形組織，當(dāng)熱處理溫度的升高至700℃時(shí)，發(fā)生再結(jié)晶形核和晶粒長大。熱處理溫度為750℃時(shí)，再結(jié)晶基本完成，絕大部分組織為較細(xì)小的等軸α相，但仍有少量的條帶狀變形組織。當(dāng)熱處理溫度達(dá)到800℃時(shí)，部分晶粒發(fā)生異常長大，組織較為粗大。因此，為保證TA10鈦合金熱軋板材能夠滿足后序的爆炸復(fù)合工序?qū)Π宀乃苄缘囊螅线m的熱處理溫度應(yīng)在700～750℃之間選擇。

2.2保溫時(shí)間對板材組織和力學(xué)性能的影響根據(jù)熱處理溫度實(shí)驗(yàn)選定熱處理溫度為750℃，在此溫度下進(jìn)行的不同保溫時(shí)間熱處理后板材的力學(xué)性能見表4，顯微組織見圖3。由表4可以看出，當(dāng)加熱溫度為750℃時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長，TA10鈦合金板材的抗拉強(qiáng)度變化不大，在5～10MPa以內(nèi)，保溫時(shí)間在15～60min區(qū)間內(nèi)，板材斷后伸長率隨保溫時(shí)間延長顯著變大，塑性變好;而當(dāng)保溫時(shí)間超過60min后，板材斷后伸長率有較明顯的降低，塑性逐漸變差。由圖3可以看出，TA10鈦合金板材在750℃下分別經(jīng)過15、30、60、120、180min退火處理后，組織由最初的條帶狀軋制變形組織逐漸發(fā)生再結(jié)晶形核和晶粒長大，當(dāng)保溫時(shí)間為30min時(shí)，再結(jié)晶基本完成(見圖3b)，當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到60min時(shí)，再結(jié)晶全部完成，組織為細(xì)小且均勻的等軸α相(見圖3c)。隨著保溫時(shí)間的繼續(xù)延長，變形織構(gòu)等阻礙晶粒長大因素的消除，少數(shù)特殊晶界迅速遷移［11］，部分再結(jié)晶晶粒出現(xiàn)異常長大，組織逐漸粗大。

綜上所述，TA10鈦合金軋制板材退火處理需要達(dá)到一定溫度方能有效地進(jìn)行回復(fù)，獲得較好的組織和性能。如在750℃退火處理時(shí)可獲得等軸狀α組織及較好塑性，當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)強(qiáng)度上升，延伸率下降。TA10鈦合金板材退火處理時(shí)還應(yīng)控制好保溫時(shí)間，否則由于再結(jié)晶晶粒的長大，會影響材料的塑性。

3結(jié)論

(1)熱處理溫度達(dá)到600℃時(shí)，TA10鈦合金板材組織可以得到較好回復(fù)，但塑性較差。若需獲得較好的塑性，滿足爆炸復(fù)合用鈦板的使用要求，則需進(jìn)行較高溫度(700～750℃)的熱處理。(2)熱處理溫度一定時(shí)，保溫時(shí)間對TA10鈦合金板材的強(qiáng)度影響不大，但對塑性影響顯著。(3)對于3mm厚TA10鈦合金熱軋板材，經(jīng)過(700～750)℃×(30～60)min/AC退火處理后，可以獲得較為均勻的等軸α相和較好的綜合力學(xué)性能，滿足爆炸復(fù)合用鈦板的使用要求。

作者：葛偉 鄧寧嘉 丁春聰 陳陽 徐國俊 單位：南京寶泰特種材料股份有限公司