李雪飛，黃利軍，丁小明，趙志偉

(北京航空材料研究院，北京 100095)

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軋制溫度對TB6鈦合金棒材組織和力學(xué)性能的影響

李雪飛，黃利軍，丁小明，趙志偉

(北京航空材料研究院，北京 100095)

采用三輥螺旋軋機，在Tβ-40 ℃、Tβ-30 ℃ 和Tβ+160 ℃三種不同溫度下對TB6鈦合金棒材進行軋制，研究軋制溫度對棒材組織和力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明，經(jīng)Tβ-40 ℃軋制后的組織為等軸組織，Tβ-30 ℃軋制后的組織為雙態(tài)組織，Tβ+160 ℃軋制后的組織為網(wǎng)籃組織；具有等軸組織和雙態(tài)組織的TB6鈦合金棒材的拉伸強度相當(dāng)，均高于具有網(wǎng)籃組織的，而等軸組織的塑性與網(wǎng)籃組織的相當(dāng)，但低于雙態(tài)組織的；綜合分析知， 經(jīng)Tβ-30 ℃軋制后的TB6鈦合金棒材的綜合力學(xué)性能最優(yōu)。

軋制溫度；TB6鈦合金；顯微組織；力學(xué)性能

0 引 言

鈦合金是一種重要的新型金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、比強度高、耐腐蝕和焊接性能好等突出優(yōu)點。近年來，航空用鈦合金得到了迅速發(fā)展，例如，國內(nèi)之前的二代戰(zhàn)機鈦合金用量不超過2%，而現(xiàn)在的三代戰(zhàn)機鈦合金用量迅速增加到15%。國外四代戰(zhàn)機F/A-22鈦合金用量已達到41%[1-2]。

Ti-1023合金是20世紀(jì)70年代美國TIMET公司開發(fā)的一種高強高韌近β型鈦合金，相應(yīng)的國內(nèi)牌號為TB6。該合金的相轉(zhuǎn)變溫度為805±25 ℃，其主要特點是比強度高、斷裂韌度好、鍛造溫度低、抗應(yīng)力腐蝕能力強，經(jīng)熱處理后，抗拉強度可達965～1 310 MPa，斷裂韌度在33～99 MPa ·m1/2范圍內(nèi)，并且可長期在低于300 ℃的環(huán)境中使用。

鈦合金棒材有多種加工方法，生產(chǎn)大尺寸棒材一般選用鍛造或擠壓工藝，小尺寸棒材則選用軋制工藝。目前，國內(nèi)有關(guān)TB6鈦合金軋制棒材的研究較少，為此，選取Tβ-40 ℃、Tβ-30 ℃ 以及Tβ+160 ℃三種溫度來研究軋制溫度對TB6鈦合金棒材組織和力學(xué)性能的影響，旨在獲得強度和塑性等綜合性能良好匹配的TB6鈦合金棒材。

1 實 驗

實驗所用原材料為北京航空材料研究院鈦合金研究所經(jīng)真空自耗熔煉爐三次熔煉得到的650 kg TB6鈦合金鑄錠，其化學(xué)成分見表1。利用金相法測得相變點溫度Tβ為795 ℃。鑄錠經(jīng)過鍛造鍛成φ60 mm棒坯，其組織為等軸組織，如圖1所示。

表1 TB6鈦合金鑄錠的化學(xué)成分(w/%)

圖1 TB6鈦合金棒坯的顯微組織Fig.1 Microstructure of TB6 titanium alloy billet

三輥螺旋軋機是一種新型、高效和大壓下量的軋制設(shè)備，螺旋軋制是局部循環(huán)加載的非封閉復(fù)雜體積變形過程。利用三輥螺旋軋機在Tβ-40 ℃、Tβ-30 ℃ 以及Tβ+160 ℃三種溫度下將φ60 mm棒材軋制成φ20 mm棒材，軋制后對棒材進行固溶和時效處理，熱處理制度為755 ℃×2 h/WC+515 ℃×8 h/AC。利用LEICA DMI 3000M光學(xué)顯微鏡對熱處理后的棒材進行顯微組織觀察，INSTRON 5887 萬能材料試驗機對熱處理后的棒材進行室溫拉伸性能測試，CamScan 3100掃描電鏡對拉伸斷口進行分析，對比不同軋制溫度對棒材組織和力學(xué)性能的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 軋制溫度對顯微組織的影響

鈦合金棒材軋制過程中顯微組織的變化與變形溫度有密切關(guān)系，在相變點溫度之上與相變點溫度之下對棒材進行軋制會得到不同類型的顯微組織。圖2為經(jīng)不同溫度軋制后TB6鈦合金棒材的顯微組織。

經(jīng)Tβ-40 ℃軋制后棒材的顯微組織與原始組織基本相同，均為等軸組織，但軋制后的顯微組織中α相含量有所減少，并且經(jīng)大變形量變形后等軸α相的尺寸也有所減小，如圖2a所示。經(jīng)Tβ-30 ℃軋制后棒材的顯微組織為雙態(tài)組織，由于變形溫度進一步接近相變點，α相含量進一步減少，等軸α相長大，其中少量聚集長大成短棒狀，尺寸比Tβ-40 ℃軋制后的大，如圖2b所示。經(jīng)Tβ+160 ℃軋制后棒材的顯微組織為網(wǎng)籃組織，軋制溫度在相變點之上，α相全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，最初變形時組織為全β相，終了變形溫度在相變點之下，變形后空冷形成網(wǎng)籃組織，如圖2c所示。

圖2 經(jīng)不同溫度軋制的TB6鈦合金棒材的顯微組織Fig.2 Microstructures of TB6 titanium alloy bars rolled at different temperatures

2.2 軋制溫度對力學(xué)性能的影響

由成分、工藝、組織和性能四者之間的關(guān)系可知,材料的組織決定力學(xué)性能。不同軋制溫度得到的TB6鈦合金棒材的組織不同，因此力學(xué)性能也不相同，如表2所示。室溫下，Tβ-40 ℃和Tβ-30 ℃ 軋制的棒材強度相當(dāng)，高于Tβ+160 ℃軋制的棒材。軋制溫度對棒材延伸率的影響不大，均在12.0%～16.5%之間。Tβ-40 ℃和Tβ+160 ℃軋制的棒材斷面收縮率相當(dāng)，但明顯低于Tβ-30 ℃軋制的棒材。綜上比較，Tβ-30 ℃ 軋制的棒材的力學(xué)性能更優(yōu)。

表2 經(jīng)不同溫度軋制的TB6鈦合金棒材的室溫力學(xué)性能

2.3 斷口形貌分析

圖3為經(jīng)不同溫度軋制的TB6鈦合金棒材的室溫拉伸斷口形貌，其中，圖3a、d是Tβ-40 ℃軋制棒材的斷口形貌，圖3b、e是Tβ-30 ℃軋制棒材的斷口形貌，圖3c、f是Tβ+160 ℃軋制棒材的斷口形貌。從圖3b可以看出，經(jīng)Tβ-30 ℃軋制的棒材的室溫拉伸斷口有明顯頸縮，呈杯狀，斷口表面平直，局部放大圖如圖3e所示，可見韌窩較深，分布均勻，表現(xiàn)出很好的塑性斷裂特征。從圖3a、c可知，經(jīng)Tβ-40 ℃和Tβ+160 ℃軋制的棒材的室溫拉伸斷口沒有明顯頸縮，斷口表面高低起伏，圖3d、f中的韌窩較圖3e中的淺。綜合分析可知，經(jīng)Tβ-40 ℃和Tβ+160 ℃軋制的棒材塑性不如Tβ-30 ℃軋制的棒材，這與室溫拉伸數(shù)據(jù)分析結(jié)果一致。

圖3 經(jīng)不同溫度軋制的TB6鈦合金棒材的室溫拉伸斷口形貌Fig.3 Room-temperature tensile fracture morphologies of TB6 titanium alloy bars rolled at different temperatures

3 結(jié) 論

(1)經(jīng)Tβ-40 ℃軋制后的棒材組織為等軸組織，Tβ-30 ℃軋制后的組織為雙態(tài)組織，Tβ+160 ℃軋制后的組織為網(wǎng)籃組織。

(2)經(jīng)Tβ-40 ℃和Tβ-30 ℃軋制的棒材的室溫拉伸強度相當(dāng)，高于Tβ+160 ℃軋制棒材的拉伸強度；Tβ-40 ℃和Tβ+160 ℃軋制棒材的塑性相當(dāng)，低于Tβ-30 ℃軋制棒材的塑性。綜合考慮，Tβ-30 ℃軋制的TB6鈦合金棒材的綜合性能最為優(yōu)異。

[1] 萊茵斯C，皮特爾斯 M.鈦與鈦合金[M].陳振華，譯.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2]曹春曉. 航空用鈦合金的發(fā)展概況[J]. 航空科學(xué)技術(shù),2005(4):3-6.

Effect of Rolling Temperature on Microstructure and Mechanical Properties of TB6 Titanium Alloy Bars

Li Xuefei, Huang Lijun, Ding Xiaoming, Zhao Zhiwei

(Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

In order to research the effect of rolling temperature on microstructure and mechanical properties,TB6 titanium alloy bars were rolled at three different temperatures thatTβ-40 ℃,Tβ-30 ℃ andTβ+160 ℃ by three roll mill. The results show that the microstructure of TB6 titanium alloy bar is equiaxed microstructure rolling atTβ-40 ℃, duplex microstructure rolling atTβ-30 ℃, and basketweave microstructure rolling atTβ+160 ℃. The tensile strength of TB6 titanium alloy bar with equiaxed microstructure is equal to duplex microstructure, higher than basketweave microstructure. The ductility of equiaxed microstructure is equal to basketweave microstructure, lower than duplex microstructure. In summary, the comprehensive mechanical properties of TB6 titanium alloy bar rolled atTβ-30 ℃ are the best.

rolling temperature; TB6 titanium alloy; microstructure; mechanical properties

TG335.6+2

A

1009-9964(2016)05-0030-03

2016-05-31

李雪飛(1989—)，男，工程師。