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、耐低溫性優良、斷裂韌性高和熱穩定性好等優點，可長期在500℃工作，被廣泛用作飛機發動機環鍛件、機匣殼體及飛機蒙皮等[1-4]。

TA7鈦合金板材生產過程中，由于軋制變形抗力大，加工塑性差，板材邊部經常會產生大量裂紋，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，發現采用包覆疊軋工藝生產的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，發現加入適量的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，發現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，發現采用溫軋代替冷軋，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，研究人員發現利用該工藝生產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，提高生產效率，降低生產成本[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的TA7鈦合金熱加工態板材為原材料，對其進行不同溫度的熱處理，分析熱加工態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鈦合金板材工業化生產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的1.0mm厚TA7鈦合金熱加工態板材，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。

從熱加工態和經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，熱軋后縱向組織呈拉長狀，靜態再結晶不完全所導致的。

圖2為經不同溫度熱處理后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），均為不完全再結晶組織。經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晶（見圖2b、2e）。經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，有很強的再結晶趨勢，因而隨著熱處理溫度升高，再結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

熱加工態及經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，熱加工態板材強度最高，延伸率最低，彎曲性能不合格，說明熱加工態板材產生了較大的加工硬化，這與終軋溫度較低有關。經不同溫度熱處理后，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

熱加工態及經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，熱加工態及經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、結論

(1)熱加工態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750℃熱處理后板材拉長α晶粒基本轉變為等軸狀；經800℃熱處理后板材橫向與縱向均為均勻、細小的等軸組織；經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].鈦工業進展,2015,32(3):26-29.

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[3]姚澤坤,孫紅蘭,張東亞,等.工藝參數組合對TA7鈦合金拉伸性能的影響[J].重型機械,2012(3):74-77.

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[5]龐洪,張海龍,王希哲,等.包覆疊軋TA7鈦合金板材的組織與力學性能[J].中國有色金屬學報,2010,20(S1):66-69.

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[7]周玉川,李鵬,夏亞峰,等.軋制工藝對TA7鈦合金板材表面開裂的影響[J].熱加工工藝,2017,46(15):160-162.

[8]洪權.Ti-6Al-4V合金薄板包覆疊軋加工工藝與組織性能研究[D].西安:西北工業大學,2005.

[9]洪權,郭萍,周偉.鈦合金成形技術與應用[J].鈦工業進展,2022,39(5):27-32.