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 1.0 mm 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 30 min，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（10 mL HF+25 mL HNO 3 +60 mLC 3 H 8 O 3 ＋20 mL H 2 O）中浸蝕 7 s 后，按照 GB/T 5168—2020 標準在 AXIOVERT 200MAT 金相顯微鏡下進行組織觀察；按照 GB/T 228.1—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/T 232—2010標準在TC-12-029彎曲機上測試彎曲性能，彎曲壓頭直徑為 3 mm；按照 GB/T 228.2—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 ℃/440 MPa 和 500 ℃/195 MPa 條件下，按照GB/T 2039—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 121 h（GJB2505A—2018 標準要求不少于 100 h）。

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 1 熱加工態 TA7 鈦合金板材橫向與縱向顯微組織

Fig.1 Microstructures of TA7 titanium alloy sheet in hot working state: (a) transverse; (b) longitudinal

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 9.4 μm，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 11.2 μm（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。

圖 2 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

Fig.2 Microstructures of TA7 titanium alloy sheets after heat treated at different temperatures: (a) 750 ℃, transverse; (b) 800 ℃, transverse;(c) 850 ℃, transverse; (d) 750 ℃, longitudinal; (e) 800 ℃, longitudinal; (f) 850 ℃, longitudinal

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 GJB 2505A—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 GJB 2505A—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 ℃/440 MPa、500 ℃/195 MPa 條件下的高溫持久性能均滿足 GJB 2505A—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

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