化工海洋工程用TA10鈦合金棒材組織與力學(xué)性能分析

由于鈦及鈦合金具有耐高溫、耐低溫、低密度和高比強(qiáng)度等眾多優(yōu)點(diǎn)，在軍工、海洋、生物及化工等領(lǐng)域均 有廣泛應(yīng)用[1-2]。TA10鈦合金的名義成分為Ti-0.3Mo-0.8Ni，屬于一種常見的近α型鈦合金，該合金是美 國(guó)在20世紀(jì)所發(fā)明，其主要目的是替代高成本的Ti-0.2Pd合金，該合金除了具有較好的耐腐蝕性外，還具有 中等強(qiáng)度的力學(xué)性能，其在化工領(lǐng)域、海洋工程和船舶工程等領(lǐng)域均廣泛使用，是目前市面上用途最廣泛的 合金之一[3-4]。

因?yàn)樵摵辖鸬膽?yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，蘇娟華等[5]研究了TA10鈦合金的高溫 拉伸斷裂極限，結(jié)果表明：對(duì)該合金的斷裂極限值影響較大的因素為應(yīng)變速率和溫度，提高變形溫度會(huì)增加 斷裂極限值，隨著變形溫度升高到1050℃時(shí)，斷裂極限值可達(dá)1.132；而升高應(yīng)變速率會(huì)導(dǎo)致斷裂極限下降 ，當(dāng)應(yīng)變速率為5s-1時(shí)，斷裂極限為0.770。程帥朋等[6]研究了鍛造工藝對(duì)TA10鈦合金組織性能的影響，結(jié) 果表明：增加合金的鐓拔次數(shù)，會(huì)使合金強(qiáng)度先上升后下降；合金的斷裂方式為準(zhǔn)解理斷裂；當(dāng)合金經(jīng)退火 處理后，經(jīng)1鐓1拔后獲得網(wǎng)籃組織，經(jīng)2鐓2拔后獲得等軸晶組織，經(jīng)3鐓3拔后，組織變得粗大。

目前，雖然對(duì)該合金的研究較多，但鑒于工業(yè)生產(chǎn)與實(shí)際應(yīng)用，生產(chǎn)工藝改進(jìn)仍是增加該合金使用范圍與使 用前景的主要方法，本文提出一種新的鍛造工藝生產(chǎn)TA10鈦合金棒材，為該合金的生產(chǎn)應(yīng)用作出相應(yīng)參考。

1、試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)選用生產(chǎn)TA10鈦合金的原材料為海綿鈦和Mo-Ni中間合金，為保證生產(chǎn)鑄錠成分的均勻性，采用真空 自耗熔煉爐進(jìn)行2次熔煉，隨后采用ICP測(cè)試鑄錠化學(xué)成分，測(cè)得TA10鈦合金鑄錠的具體化學(xué)成分為（質(zhì)量分 數(shù)，%）：0.26%Mo、0.77%Ni、0.04%O、0.076%Fe和Ti余量。采用金相法測(cè)得TA10鈦合金鑄錠的相轉(zhuǎn)變溫度 為890~895℃。隨后根據(jù)相轉(zhuǎn)變溫度設(shè)定加熱溫度為820℃，隨后使用自由鍛造機(jī)進(jìn)行2鐓2拔后直接制成直徑 為150mm的棒材，其間不采用回火加熱。相比于傳統(tǒng)鍛造工藝，本工藝的加熱溫度更低，且其間無回火階段 ，極大地減少了生產(chǎn)周期及生產(chǎn)成本。

將成品TA10鈦合金棒材進(jìn)行切割，隨后在切割好的TA10鈦合金棒材中整取樣并加工成金相試樣、硬度試樣及 拉伸試樣，分別測(cè)試棒材橫向（T向）、縱向（L向）2個(gè)方向的拉伸性能、維氏硬度（測(cè)試條件為HV5），并 同時(shí)觀察其金相組織。金相組織觀察的光學(xué)顯微鏡型號(hào)為Axiomatic，維氏硬度測(cè)試設(shè)備型號(hào)為7MHVS硬度計(jì) ，拉伸性能測(cè)試使用型號(hào)為INSTRON電子萬能試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試項(xiàng)目為抗拉強(qiáng)度（Rm）、屈服強(qiáng)度（Rp0.2）、斷 后延伸率（A）和斷面收縮率（Z），為保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性，硬度測(cè)試取樣5點(diǎn)，拉伸性能每次試驗(yàn)測(cè)試3個(gè)試樣 ，均最后取平均值，拉伸斷口微觀形貌使用ZIESS電子掃描顯微鏡進(jìn)行觀察。

2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1金相組織

經(jīng)鍛造加工后的TA10合金棒材金相組織如圖1所示。由圖1可知，棒材的組織為典型的等軸組織，金相組織主 要由初生α相組成，初生α相形貌以等軸狀為主，同時(shí)組織中還包含β轉(zhuǎn)變組織，其位于初生α相之間，β 轉(zhuǎn)變組織包含次生α相及殘余β相。由圖1還可知，棒材的T向與L向金相略有差異，其中T向相比于L向的組 織中，其初生α相等軸化程度更高，均勻性更好，而L向的組織中，其初生α相形貌等軸化較差，有部分較 為粗大的初生α相。

合金在鍛造變形過程中，組織中的初生α相及β相都會(huì)發(fā)生塑性變形，最終形成等軸狀α組織，其中α相的 形貌及含量受到變形溫度、變形量及合金成分等參數(shù)的影響。在鍛造過程中，隨著合金變形量的不斷增加， 組織中粗大原始β晶粒受到壓應(yīng)力作用，會(huì)被壓扁及發(fā)生破碎，同時(shí)沿著合金變形的流動(dòng)方向被拉長(zhǎng)，并產(chǎn) 生扭曲、破碎且順著變形方向進(jìn)行排列[7]。當(dāng)合金的變形達(dá)到一定程度時(shí)，組織中會(huì)形成帶狀結(jié)構(gòu)，在達(dá) 到相應(yīng)條件后，組織中發(fā)生再結(jié)晶，進(jìn)而形成等軸狀α相[8]。

2.2力學(xué)性能

經(jīng)鍛造加工后的TA10合金棒材的力學(xué)性能如圖2所示。由圖2（a）可知，在棒材的拉伸性能方面，其抗拉強(qiáng) 度（Rm）和屈服強(qiáng)度（Rp0.2）均是T向較高，其中棒材T向的抗拉強(qiáng)度為536MPa，屈服強(qiáng)度為410MPa，棒材L 向的抗拉強(qiáng)度（Rm）為489MPa，屈服強(qiáng)度（Rp0.2）為338MPa。由圖2（b）可知，在塑性方面，其T向與L向 塑性性能接近，差異較小，其中棒材T向的斷后延伸率（A）為21%，斷面收縮率（Z）為35%，棒材L向的斷后 延伸率（A）為23%，斷面收縮率（Z）為36%。

棒材的拉伸性能整體強(qiáng)度較低，而塑性較高，這是因?yàn)殄懺彀舨臑榈容S組織，形貌以等軸狀α相為主。由于 等軸狀α相內(nèi)能進(jìn)行開動(dòng)的滑移系較多，棒材試樣在進(jìn)行拉伸時(shí)，組織內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生滑移，位向因子會(huì)在體積 最大的等軸α相中率先開動(dòng)，因?yàn)榈容S組織中包含較多的等軸α相，試樣在拉伸時(shí)產(chǎn)生的變形能夠快速擴(kuò)散 到其余的晶粒中，避免了滑移在個(gè)別的α晶粒中開動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致合金試樣發(fā)生開裂，最終發(fā) 生斷裂。因?yàn)榘舨腖向的組織中存在較為粗大的初生α相，在拉伸的過程中，組織中粗大的初生α相會(huì)導(dǎo)致 變形不能均勻地分散到其余晶粒中，使其容易發(fā)生應(yīng)力集中，使棒材過早發(fā)生屈服現(xiàn)象，最終發(fā)生斷裂[9- 10]。

由圖2（c）可知，棒材T向與L向的硬度值十分接近，其T向硬度值為210HV，L向硬度值為203HV。因?yàn)橛捕戎?的測(cè)試與拉伸測(cè)試有所區(qū)別，硬度測(cè)試為組織中α相的性能，因?yàn)榘舨慕M織為等軸組織，在進(jìn)行硬度測(cè)試過 程，取樣位置整體均以初生α相為主，較少點(diǎn)會(huì)取自其余組織，導(dǎo)致棒材T向與L向的硬度值十分接近。

2.3拉伸斷口微觀形貌

TA10合金棒材拉伸斷口微觀形貌如圖3所示。由圖3可知，棒材T向與L向拉伸斷口微觀形貌幾乎一致，均是以 等軸狀韌窩為主，其中韌窩形貌與數(shù)量是體現(xiàn)合金塑性大小的主要依據(jù)，當(dāng)韌窩數(shù)量較多且深時(shí)，棒材具有 較高的塑性值；當(dāng)韌性數(shù)量較少且淺時(shí)，合金具有較低的塑性值。韌窩的產(chǎn)生是由于棒材進(jìn)行拉伸時(shí)，較快 的應(yīng)變速率會(huì)使位錯(cuò)在滑移過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致組織中的微孔發(fā)生形核，在拉伸不斷進(jìn)行過程中，位 錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到的排斥力降低，微孔內(nèi)會(huì)有少量位錯(cuò)進(jìn)入，再次激活位錯(cuò)源，因?yàn)榘舨脑谒苄宰冃蔚倪^程中會(huì)不 斷形成新的位錯(cuò)，導(dǎo)致微孔內(nèi)會(huì)連續(xù)不斷地進(jìn)入新形成的位錯(cuò)，促使微孔生長(zhǎng)，微孔不斷地匯聚在斷口處， 并且留下痕跡，最終形成韌窩[11]。在棒材的斷口微觀形貌中還發(fā)現(xiàn)少量的二次裂紋，這是因?yàn)榻M織中存在 β轉(zhuǎn)變組織，棒材在拉伸過程中，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到阻塞作用，導(dǎo)致位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定偏移所導(dǎo)致，同時(shí)在棒 材L向的斷口微觀形貌中有較為明顯的撕裂棱，撕裂棱的出現(xiàn)代表棒材的強(qiáng)度較大，這與棒材實(shí)際拉伸性能 一致[12]。

3、結(jié)論

（1）鍛造加工后棒材組織為等軸組織，主要由等軸狀初生α相組成，組織中還包含少β轉(zhuǎn)變組織，棒材T向 的初生α相等軸化程度更高。

（2）棒材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均是T向較高，其中棒材T向的抗拉強(qiáng)度為536MPa，屈服強(qiáng)度為410MPa，棒 材L向的抗拉強(qiáng)度為489MPa，屈服強(qiáng)度為338MPa；在塑性方面，其T向與L向數(shù)值接近，差異較小，其中棒材T 向的斷后延伸率為21%，斷面收縮率為35%，棒材L向的斷后延伸率為23%，斷面收縮率為36%，棒材T向與L向 的硬度值十分接近，其T向硬度值為210HV，L向硬度值為203HV。

（3）棒材T向與L向拉伸斷口微觀形貌幾乎一致，均是以等軸狀韌窩為主，在棒材的斷口微觀形貌中還發(fā)現(xiàn) 少量的二次裂紋。

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