Gr.5鈦合金軋制過程中的塑性變化研究

陳 肖

（西部鈦業(yè)有限責任公司，陜西 西安 710201）

Gr.5鈦合金是最早生產的鈦合金類型之一，屬于α+β型鈦合金，具有良好的綜合性能，被廣泛的應用于化工、電力、航空、航天、醫(yī)療等領域。鈦合金性能的制約因素較多，但鈦合金材料的塑性變化規(guī)律是評價一種鈦合金整體性能的一個重要指標[1，2]。基于此，本文以Gr.5鈦合金為研究對象，分析該鈦合金在軋制過程中塑性變化規(guī)律，為進一步研究該類鈦合金顯微組織以及力學性能、軋制工藝等提供參考。

1 試驗材料及過程

本次選用Gr.5鈦合金鑄錠，將其制成1.6mm厚的Gr.5鈦合金板材，進行退火狀態(tài)的拉伸性能試驗。根據(jù)試驗得出，Gr.5鈦合金的抗拉強度可達1110MPa，屈服強度為1050MPa，斷后伸長率為9.40%。為了分析Gr.5鈦合金在軋制過程中塑性變化規(guī)律，本文從Gr.5鈦合金板材的化學成分、顯微組織以及硬度等方面進行綜合分析。

2 不同參數(shù)變化特征

2.1 鈦合金化學成分分析

對進行試驗的Gr.5鈦合金樣材進行劃分成分檢測，結果顯示，Gr.5鈦合金中Al元素含量為6.33%，在標準值5.5%～6.75%范圍內；V元素含量為4.24%，介于標準值3.5%～4.5%范圍內；Fe元素含量為0.053%，小于標準值（≤0.40）；C含量為0.008，小于標準值（≤0.05）；N元素含量小于0.008（標準值≤0.05），H元素含量為0.017（標準值≤0.015），O元素含量為0.14（標準值≤0.20）。由化學分析結果顯示，除H元素超出標準值13.33%外其余元素均在標準值范圍內。

2.2 鈦合金顯微硬度特征

對Gr.5鈦合金樣材進行顯微硬度測試分析，對其進行載荷加載試驗，壓力為1.96N，加載時間為30s。在顯微硬度測試過程中沿著樣材厚度方向進行試驗，距離每0.11mm測讀一次數(shù)據(jù)，最終求得不同度數(shù)的平均值作為樣材最終的硬度值，為326HV。

2.3 金相分析

將打磨、拋光處理后的Gr.5鈦合金樣材在光學顯微鏡下觀察Gr.5鈦合金棒材的顯微組織變化特征。根據(jù)顯微組織照片可知，Gr.5鈦合金屬于α+β型鈦合金，顯微組織中未發(fā)現(xiàn)完整的β晶界上連續(xù)的網狀α，未能發(fā)現(xiàn)明顯粗大拉長的片狀α。根據(jù)顯微組織顯示，Gr.5鈦合金樣材的組織類型為等軸狀α相，總體上顯微組織未發(fā)現(xiàn)明顯的異常現(xiàn)象。

3 軋制過程中塑性變化特征

3.1 固溶溫度對塑性變化的影響

將Gr.5鈦合金樣材分別置于840℃、810℃、780℃和750℃固溶溫度下，保溫0.5h后空冷處理，借助鈦合金斷口形貌組織變化規(guī)律分析鈦合金樣材的塑性變化規(guī)律。隨著固溶溫度升高，斷口處纖維區(qū)面積相對減少，當固溶溫度升高至840℃時，纖維區(qū)逐漸消失，使得棒材的斷口更加平整，且斷口主要由光滑面和小韌窩構成[3]。

當固溶溫度為810℃時，樣材的斷口剪切唇以小韌窩為主，且韌窩的尺寸較大，數(shù)量卻明顯減少；固溶溫度為840℃時，斷口光滑面上不存在韌窩，但可見約40μm的β相晶粒出現(xiàn)。因此，說明Gr.5鈦合金板材是塑性材料。對Gr.5鈦合金棒材試驗樣材分別在840℃、810℃、780℃和750℃固溶溫度下保溫0.5h后空冷處理，試驗結果表明，隨著固溶溫度的逐漸升高，Gr.5鈦合金棒材的抗拉強度和屈服強度逐漸降低，當固溶溫度在810℃及以上時，Gr.5鈦合金棒材的抗拉強度與屈服強度明顯降低，且出現(xiàn)較低的屈服應力。此外，在較低固溶溫度條件下，隨著固溶溫度的升高，Gr.5鈦合金棒材的生長率逐漸升高，塑性變化總體不大。當固溶溫度最高時，Gr.5鈦合金棒材的延伸率增大極為明顯，斷面收縮率也明顯增加。結合前人對斷口分析認知，本次試驗所得的拉伸斷口形貌特征與塑性變化規(guī)律的是矛盾的，結合本次獲得的合金的相變點溫度為820℃。此外，若固溶溫度在相變點溫度之下時，隨著固溶溫度的升高，鈦合金中的可溶質元素的回溶現(xiàn)象越強烈，也就意味著顯微組織中出現(xiàn)β相的概率也就越大；若在相變點以上升溫時，可以導致回溶元素全部回溶，意味著Gr.5鈦合金棒材顯微組織全部轉變?yōu)棣孪?。由于β相為立方體晶型，α相為六方形晶體結構，前者存在較多滑移面，容易出現(xiàn)塑性滑動。綜上所述，隨著鈦合金材料中的β相的逐漸升高，鈦合金材料的塑性能力也逐漸升高。

3.2 綜合分析

根據(jù)上文Gr.5鈦合金樣材的化學成分分析結果顯示，Gr.5鈦合金中H元素含量超標，而適量超標H元素可以適當?shù)母纳柒伜辖鸬臒峒庸ば阅?，若H元素含量超標過多時則容易造成鈦合金出現(xiàn)低應變脆性敏感性，進而導致鈦合金材料的塑性性能較低。由于Gr.5鈦合金樣材中H元素明顯超標，且在拉伸試驗過程中伸長率低于標準值。因此，Gr.5鈦合金樣材中過多的H元素來源主要包括兩方面：一是酸洗處理過程中導致合金中H元素過量，二是化學銑削過程中導致合金中H元素過量。此外，在鈦合金樣材顯微組織中未發(fā)現(xiàn)明顯的異常組織結構，但顯微硬度明顯偏高，最終導致鈦合金延伸率和斷面收縮率降低，造成鈦合金顯微硬度增高，進而使得Gr.5鈦合金的塑性降低。

4 結語

綜上所述，Gr.5鈦合金屬于α+β型鈦合金，因其具有良好的綜合性能，被廣泛的應用于化工、電力、航空、航天、醫(yī)療等領域。

本文在總結鈦合金化學組成成分、顯微硬度和顯微組織的基礎上，通過固溶溫度試驗分析了不同固溶溫度對鈦合金塑性變化的影響，進而綜合分析了H元素含量超標對鈦合金材料塑性的影響，本文的研究成果有助于改進鈦合金軋制工藝，提高鈦合金材料的塑性。