引言

鈦合金具有密度小、耐腐蝕、高比強(qiáng)度等特點(diǎn)，在海洋船舶、航空航天、石化、醫(yī)藥和汽車等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較廣［1-2］。其中β鈦合金因其熱處理強(qiáng)化效果較好需求較大。國內(nèi)相關(guān)學(xué)者對(duì)β鈦合金的成分、熱處理、微觀組織、性能進(jìn)行了深入的研究，取得了一系列成果［3-7］。而關(guān)于機(jī)械加工對(duì)β鈦合金性能影響研究不多。

基于以上現(xiàn)狀，本文對(duì)采用鍛壓機(jī)械加工方式后的β鈦合金性能開展研究，揭示鍛壓機(jī)械加工對(duì)β鈦合金性能的影響，為β鈦合金的應(yīng)用提供理論支撐。

1、試件制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用β鈦合金成分為Ti-3Al-8V-4Mo－4Cr-4Zr-2Fe-2Nb，通過真空自耗電弧熔煉獲得鑄錠。對(duì)鑄錠進(jìn)行鍛壓，在水壓機(jī)上進(jìn)行，鍛壓溫度為初始溫度1100℃，最后溫度860℃，每次保溫60min，五火次鍛壓成Φ30mm的棒材，保證鍛造過程中保持成分均勻性。測(cè)試β鈦合金熔煉后化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1。

從鍛壓的β鈦合金棒材上用線切割切取圓柱型標(biāo)準(zhǔn)試樣，標(biāo)距為25mm，直徑為5mm，尺寸如圖1所示，按照GB/T228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)溫度為室溫，在Instron5885電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載速度為1mm/min。使用HVS-50維氏硬度計(jì)測(cè)量維氏硬度，外加載荷值250g，載荷保持時(shí)間10s，取6個(gè)測(cè)試點(diǎn)取硬度平均值。

硬度計(jì)算公式如式1所示:

式中:P為外加載荷值(N)，d為壓痕對(duì)角線平均值(mm)。

采用OLYMPUS金相顯微鏡對(duì)β鈦合金的鑄造及鍛壓后的顯微組織進(jìn)行金相觀察。主要觀察鍛壓加工后的晶粒、形貌、組織尺寸。金相試樣經(jīng)砂紙研磨機(jī)械拋光后采用HF∶HNO₃∶H₂O=1∶3∶5(體積比)試劑進(jìn)行腐蝕。

2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

2．1力學(xué)性能

圖2為β鈦合金經(jīng)鍛壓后硬度值測(cè)試情況。

由圖2可知β鈦合金棒材因鍛壓中形變不均勻，外緣形變比中部大，其測(cè)試的硬度值表現(xiàn)為從外到內(nèi)逐漸降低，提示需要進(jìn)一步精細(xì)鍛壓及熱處理以達(dá)到材料從里到外硬度均勻一致性。

表2為β鈦合金經(jīng)鍛壓后室溫拉伸測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，其抗拉強(qiáng)度在827～867MPa之間，伸長率為17．5%～20%，表征鍛壓后β鈦合金材料的塑性性能良好。

根據(jù)公式2可知β鈦合金強(qiáng)度由析出次生相的尺寸大小和體積分?jǐn)?shù)決定，而試驗(yàn)未對(duì)β鈦合金進(jìn)行固溶處理，α相析出較少，含量較低，造成合金硬度相對(duì)低。

式中:σ為屈服強(qiáng)度，α_p為初生α相，α_s為次生α相，fα_p與fα_s分別為初生α相與次生α相體積分?jǐn)?shù)，dα_p和dα_s分別為初生α相和次生α相晶粒尺寸。

2．2金相微觀顯微組織觀察

圖3為觀察到的β鈦合金鑄造后的金相顯微組織，從圖3中可以看出，β鈦合金內(nèi)部晶界較為分明，有些無規(guī)則的線條存在晶體內(nèi)部。晶粒平均尺寸大約為1500μm左右，構(gòu)成有較多大尺寸的鑄造組織，合金內(nèi)部個(gè)別地方觀察到氣孔等缺陷。

圖4(a)、(b)分別為β鈦合金經(jīng)鍛壓后外緣部及中部的金相顯微組織圖片，和圖3鑄造金相組織圖進(jìn)行對(duì)比可得出以下結(jié)論:β鈦合金經(jīng)機(jī)械鍛壓加工后，初始鑄造金相顯微組織產(chǎn)生了較多變化，β鈦合金內(nèi)部原始觀察到氣孔等缺陷基本不見或大幅降低。鈦合金的晶粒平均晶粒尺寸約為450μm左右，可觀察到β晶內(nèi)部有矩形條狀孿晶且分布密度相對(duì)很高，β鈦合金晶粒相對(duì)鍛壓前較細(xì)。對(duì)比圖4(a)、(b)外緣部及中部的金相顯微組織圖片可知β鈦合金外緣部晶粒相對(duì)均勻，尺寸小而細(xì)，中部晶粒尺寸大且不均勻分布，存在小再結(jié)晶與大尺寸晶粒組成的混晶。根據(jù)Hall-Petch公式(公式如式3所示)可知鍛壓后β鈦合金晶粒細(xì)小可提高合金材料的屈服強(qiáng)度，使材料的塑性性能得到改善。

式中:σ_s為晶體屈服強(qiáng)度，σ₀為晶粒變形阻力，K為晶界變形系數(shù)，d為晶粒平均直徑。

而正是由于金相觀察到β鈦合金外緣部的晶粒相對(duì)于中部的晶粒細(xì)小，解釋了圖2中β鈦合金經(jīng)鍛壓后硬度值表現(xiàn)為從外緣較高，到中部逐漸降低的情況出現(xiàn)。

3、結(jié)論

(1)β鈦合金鑄造后合金的晶粒直徑較大，不均勻分布。晶粒大小約為1500μm左右。經(jīng)過鍛壓機(jī)械加工后，β鈦合金晶粒得到細(xì)化，硬度得到提高。

(2)β鈦合金經(jīng)鍛壓后，材料硬度不均勻，金相觀察顯示外緣晶粒相對(duì)均勻、細(xì)小，硬度大，而中部硬度較小，提示需要進(jìn)一步精密鍛壓及熱處理。

(3)β鈦合金在鍛壓后的相變需借助SEM掃描和XＲD分析進(jìn)一步深入研究。

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