海洋环境用Ti-5111合金板材的组织与性能研究

2020-09-08席锦会

钛工业进展 2020年4期

席锦会，葛鹏，侯鹏，廖强

(西部金属材料股份有限公司，陕西西安 710201)

船舶服役在苛刻的海洋环境中，由于长时间接触海水，船体及其设备、构件(如高温排气管、海水阀和泵、螺旋桨等)很容易被腐蚀，对其采取防护措施又极其繁琐和困难，因此对船舶用材料提出了特殊的技术性要求：耐海水腐蚀性好；高、低温环境下稳定性好；安全可靠，维修少或维修便捷；弯曲、焊接等可加工性好。钛合金因具有良好的耐蚀性能和力学性能，被认为是一种很有前途的海洋环境用材料。

目前在用的船用钛及钛合金包括纯钛、Ti-3Al-2.5V合金以及Ti-6Al-4V ELI两相合金等。Ti-6Al-4V ELI合金因具有高强度的优势而被广泛应用，但在苛刻的应用环境下，例如在强烈震动的情况下，其断裂韧性和抗应力腐蚀开裂以及焊接性能不能很好地满足要求[1]。Ti-5111(Ti-5Al-1Sn-1V-1Zr-0.8Mo)合金是美国研发的一种成本较低的钛合金，它具有与Ti-6211(Ti-6Al-2V-1Nb-1Ta)合金相似的性能，能够满足深潜器对材料屈服强度的要求(不低于690 MPa)，同时保持良好的韧性和可焊性[2,3]。

本研究对热轧制备的25 mm厚Ti-5111合金板材进行了不同热处理，并对热处理后板材的组织、性能进行了检测，分析了影响材料强度、塑性及冲击韧性的因素，旨在掌握不同热处理制度下Ti-5111合金板材的性能水平，为后期选材及批量化生产提供依据。

1 实验

Ti-5111合金铸锭(相变点为975～980 ℃)经过β相区及α+β相区锻造得到100 mm厚板坯，再经过α+β两相区顺轧得到25 mm厚板材。分别在800、950、1 000 ℃对Ti-5111合金板材进行热处理，保温1 h，空冷。

从Ti-5111合金板材上截取实验用料，经加工制备成φ10 mm×65 mm的拉伸试样，10 mm×10 mm×55 mm的V形缺口冲击试样。采用INSTRON-1185万能力学试验机进行拉伸性能测试。采用PTM2100摆锤式冲击试验机进行冲击性能测试。采用金相显微镜观察合金的组织形貌，金相试样腐蚀液为氢氟酸、硝酸和水组成的混合溶液，体积比为1∶2∶5。采用JSM-6460扫描电镜(SEM)观察冲击试样断口形貌。

为了考察该合金的焊接性能，采用电子束焊接将2块长150 mm、宽300 mm的Ti-5111合金板材进行拼焊，拼焊成300 mm×300 mm的板材，经过热处理后测试其室温拉伸性能和冲击韧性。

2 结果与讨论

2.1 热处理制度对板材组织的影响

轧制态(R)及经不同制度热处理后Ti-5111合金板材的显微组织如图1所示。从图1可见，R态为等轴组织，由初生α相和β转变相组成，初生α相含量为70%～80%，β转变相中次生α相为短棒状，纵横比小。比较R态横向与纵向组织可发现，2个方向初生α相尺寸略有差异，纵向初生α相尺寸为18 μm，横向初生α相尺寸为13 μm，纵向初生α晶粒被拉长，这是由于板材为顺轧，晶粒在变形过程中被压扁并拉长。800 ℃×1 h/AC普通退火后仍为等轴组织，组织形态与R态相似，初生α相含量依然为70%～80%，纵向、横向初生α相尺寸分别为18 μm和14 μm。950 ℃×1 h/AC热处理后为双态组织，初生α相含量减少，为40%；次生α相呈片状，横向初生α相尺寸比纵向略小，含量也少。纵向、横向初生α相尺寸分别为17 μm和14 μm。1 000 ℃×1 h/ACβ热处理后获得魏氏体组织，α相全部转化为原始β相，β晶粒粗大，为100～200 μm，但晶界α及晶内α片均非常薄，晶内由位向不同的细长α集束组成。

图1 轧制态及不同制度热处理后Ti-5111合金板材金相照片

2.2 热处理制度对板材拉伸性能的影响

Ti-5111合金板材经不同制度热处理后的室温拉伸性能见图2。从图2可见，随着热处理温度的升高，抗拉强度和屈服强度呈降低趋势，且屈服强度下降幅度更大，说明热处理制度对屈服强度的影响强烈。800 ℃热处理后，板材的抗拉强度和屈服强度下降了20 MPa，塑性基本保持不变。950 ℃热处理后，抗拉强度较R态下降了30 MPa，屈服强度降低70 MPa。1 000 ℃热处理后，抗拉强度较R态下降了50 MPa，屈服强度降低100 MPa。热处理温度超过了相变点后，板材延伸率明显降低，这是由于板材组织变为粗大的β晶，导致强塑性下降。Margolin与Greenfield在研究α+β钛合金的拉伸断裂机理时指出，对于等轴组织，断裂应力与等轴初生α相晶粒间距、原始再结晶β晶粒直径的平方根成反比；对于魏氏体片状组织，其断裂应力与再结晶β晶粒直径、晶界α相厚度的平方根成反比[4，5]。而在给定的退火温度下，等轴组织中等轴α相的平均直径则与原始再结晶β晶粒直径成正比[5]。因此，等轴组织的断裂应力实际上与等轴α相的晶粒尺寸和间距的平方根成反比。在双态组织中原始再结晶β晶粒尺寸指亚晶α相集束的尺寸。本研究中，魏氏体片状组织原始再结晶β晶粒粗大，远大于等轴组织和双态组织的原始再结晶β晶粒，因此，具有魏氏体组织的试样综合抗拉强度最低。等轴组织的原始β晶粒比双态组织的再结晶β晶粒度略小，故其抗拉强度最高。

图2 不同热处理制度下Ti-5111合金板材的抗拉强度和塑性

材料的塑性除了与再结晶β晶粒尺寸有关外，还与晶界α相有关。片状组织中，具有一定厚度的连续晶界α相为显微孔洞的形核及长大到临界尺寸提供了一条捷径，从而导致晶间断裂，使片状组织的塑性大大低于等轴组织和混合组织。

2.3 热处理制度对板材韧性的影响

Ti-5111合金板材经不同制度热处理后的室温冲击韧性见图3。从图3可见，在相变点以下热处理时，随着热处理温度的升高，冲击韧性提高，热处理温度超过相变点后，冲击韧性又降低。R态及经不同制度热处理后，V形缺口试样冲击功AKV均可达60 J以上，表现出良好的韧性。

图3 不同热处理制度下Ti-5111合金板材的冲击韧性

为了分析影响Ti-5111合金板材冲击韧性的因素，对不同热处理温度下冲击韧性试样断口的宏观形貌进行分析，见图4。从图4可见，R态、800 ℃及950 ℃热处理后的冲击试样断面差异很小，断口表面较为平直，呈灰色；而1 000 ℃热处理后断口非常粗糙，表面有较大的起伏，存在大量金属光泽的小平面。

图4 不同热处理制度下Ti-5111冲击试样断口宏观形貌

图5为Ti-5111合金冲击试样断口的SEM照片。从图5可见，800 ℃热处理后，断口韧窝深、细密且分布均匀，呈等轴状，其尺寸与显微组织中的等轴α晶粒大小相当；950 ℃热处理后，断口韧窝更深更大，断面中可见大量的显微孔洞和二次裂纹；1 000 ℃热处理后，断口韧窝数量很少，局部可见准解理断裂特征，解理平面内存在河流花样。

图5 不同热处理制度下Ti-5111合金冲击试样断口SEM照片

钛合金断裂过程中，初生α相是裂纹萌生和扩展的通道，材料的断裂韧性随着初生α相内部平均自由程的增加而提高[6]。

(1)

式中：Lm为α相内部平均自由程；R0为初生α相半径；f为初生α相含量。根据式(1)及不同热处理制度下板材显微组织可以看出，由于950 ℃热处理后，初生α相含量显著减少，但初生α相尺寸与R态和800 ℃热处理后的初生α相尺寸相当，故初生α相内部的平均自由程较大，因此950 ℃热处理后材料的韧性高。裂纹一般主要在初生α相晶界、α/β相界或β晶粒的晶界上形成。材料的韧性不仅与初生α相的体积分数有关，还与α相的形貌有关。在应力作用下，裂纹一般沿着相界面进行扩展，既可以平直穿过α相，也可以绕过α相。对于含有片状α相的混合组织，若片状α相的位向与主裂纹扩展方向相近，裂纹沿α片间通过；若片状α相的位向与主裂纹走向不一致，裂纹穿过片层α相，但裂纹扩展至片层边界时，将产生停滞效应或被迫改变方向。魏氏体组织中，晶内α片层呈网篮状交织分布，有助于材料保持较高的韧性。因此，对于不同类型的钛合金组织来说，混合组织，即双态组织的冲击韧性最好，魏氏体组织次之，等轴组织最差[7～8]。