文／郑鹏飞，王文波，张晓龙，葛金余，屠孝斌，段晓辉，张雪敏·宝鸡钛业股份有限公司

本文结合小规格棒材的加工特点和实际生产经验，旨在探明退火温度对TA18 钛合金组织与性能的影响规律，并得出结论：当退火温度在750 ～800℃之间时，TA18 钛合金棒材综合力学性能较为良好，其强度与塑韧性的匹配性良好，并且当退火温度上升到900℃时，显微组织中有β 转变组织的出现。

TA18 钛合金，其名义成分为Ti-3Al-2.5V，作为微合金化的近α 型钛合金，其具备比强度高、密度小、耐蚀性好以及线膨胀系数小等优良特性，被广泛应用于航空航天等高端运输装备领域。前期，刘正乔等人对TA18 钛合金卷的常规热连轧工艺进行了研究；
代金、杨建朝、李毅等人先后对TA18 钛合金管材轧制及应用技术等进行了相关研究。可见对TA18 钛合金的研究主要集中在管材、薄板(卷材)等方面，未见对TA18 钛合金棒材进行相关研究的文章与报道。但随着TA18 钛合金应用的推广，目前已经有了小规格棒材的应用需求，因此本文采用我公司锻造生产的小规格棒材，摸索退火温度对TA18 钛合金棒材组织与性能的影响规律，以便为其应用推广提供理论基础及数据参考。

试验材料

试验所用材料是我公司经过真空自耗电弧炉二次熔炼的φ700mm锭型铸锭经过β区开坯锻造＋两相区锻造(镦粗和拔长)＋两相区径向锻造等一系列工序生产的φ40mm 棒材。试验所用试样采用线切割取样，取样部位均为棒材头部的心部部位。

根据国标YS/T 1262-2018 的试验方法测得化学成分见表1，经连续升温金相法测定该棒材本体相变点为930℃。

表1 铸锭化学成分(质量分数，%)

试验方法

对选材进行不同温度的退火处理，热处理制度见表2。最后进行室温性能测试，包括显微组织的观察、拉伸性能的测试。

表2 试验热处理工艺

力学拉伸试验在英斯特朗万能材料试验机上进行，试验环境温度15℃，环境湿度38%，试验过程符合GB/T 228-2010 的要求。

显微组织观察是在20℃环境温度和40%环境湿度下进行，经腐蚀剂擦拭腐蚀5s，在OLYMPUS GX71 型金相显微镜上观察组织。所用腐蚀剂体积配比为5%HF+12%HNO3+83%H2O，试验过程符合GB/T 228-2010 的要求。

显微组织分析

图1 为经过不同温度的退火组织，可以看出TA18 钛合金经过不同温度退火之后，组织由α 晶粒与β 转变组织组成。当温度低于850℃时，呈现典型的α 等轴晶粒(α 晶粒占比基本在85%以上)，基本无次生α 相与β 转变组织的产生(占比5%～9%)，显微组织基本稳定，并且α 晶粒在极少数的局部区域连接成片；
而当退火温度为900℃时，显微组织发生了质的转变，转变为由β转变组织占主导地位，呈现长条状与块状聚集态分布，并且初生α 相更加粗化且转变为完全的等轴晶粒，值得注意的一点，此时的初生α 相占比只剩不到25%。

就晶粒的大小而言，当退火温度在500 ～750℃时，α 晶粒比较细小并且组织较为致密，此时并未发生再结晶形核现象，并且初生α 晶粒并没有因为温度的升高而出现异常长大；
当温度在750 ～850℃之间时，初生α 晶粒出现了不均匀长大现象，并且在显微组织的局部发生了再结晶现象，随之温度的升高伴随着再结晶晶粒的长大，晶粒变得粗化且大小不均匀；
当温度为900℃时，由于温度过高，显微组织中出现了β 转变组织，组织的不均匀性增大，并且α 晶粒快速减少。

室温力学性能

图2 为不同退火温度的室温力学性能，不同热处理制度的室温拉伸力学性能见表3，随着退火温度的逐渐上升，TA18 钛合金抗拉强度与屈服强度呈现递减的趋势，而延伸率与断面收缩率呈现逐渐递增的趋势。这是由于随着温度的不断升高，晶界的移动速度会缓慢加快，随即造成晶粒间的相互融合，并且温度越高，晶界的自由能会增加，会越来越容易产生移动现象。

表3 不同热处理制度的室温拉伸力学性能

根据Hall-Petch 公式，材料的强度也会随之发生缓慢的下降。就强度而言，当退火温度在550 ～750℃之间时，材料的抗拉强度与屈服强度变化相对较为缓慢；
而材料的强度在750 ～800℃时相对快速下降；
当退火温度高于800℃时，强度又呈现缓慢下降的趋势；
在退火温度为900℃时，材料的强度值最低，这是由于TA18 钛合金的再结晶温度在720℃左右，当退火温度远高于其再结晶温度时，材料局部出现了再结晶形核现象，并且形核现象极不均匀，甚至出现了晶粒的异常长大现象。在此过程中材料内部位错密度降低，其在塑性变形直至断裂的过程中，材料的强度也会随之急剧降低，在这里再结晶产生的不均匀形核现象主要对金属材料力学性能起到“软化”的作用。

就塑性而言，当退火温度在550 ～750℃之间时，材料的塑性变化相对较为缓慢；
而材料的塑性在750 ～800℃时相对快速上升；
当退火温度高于800℃时，塑性又呈现缓慢上升的趋势；
在退火温度为850 ～900℃之间时，材料的伸长率和断面缩率最高。总体而言，当退火温度选择在750℃时，晶粒细小且分布均匀，α-Ti 含量占比较大，因其具备的密排六方结构在金属发生塑性变形甚至断裂的过程中抗力较大，使其具备较高的强度与较为理想的塑韧性，此时强度与塑韧性达到良好的匹配，TA18 钛合金材料具备最为良好的综合性能。

⑴随着退火温度的升高，TA18 钛合金强度随之下降，550 ～750℃之间强度的变化相对较为缓慢，而高于750℃时，强度的下降加快。

⑵当退火温度为900℃时，其组织中β 转变组织较多，而初生α 相较少；
当温度低于850℃时，显微组织为典型的α 相。

⑶当退火温度在750 ～800℃之间时，TA18 钛合金综合力学性能较为良好，实现了强度与塑韧性的良好匹配。

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