沈立华 ，朱宝辉，马 超，刘彦昌，王培军，刘守田，王 益，姜 韬

(宁夏东方钽业股份有限公司，宁夏 石嘴山 753000)

0 引 言

TA5是一种α型钛合金，除含有4%的Al元素外，还加入了0.005%的B元素，这样可细化晶粒并提高弹性模量。此合金强度中等，塑性较差，焊接性能和耐腐蚀性良好，可制作成板材、棒材和锻件，是海洋环境下理想的结构材料。目前已广泛应用于制备船舶制造业的各类机械部件[1-3],也应用于制造各类兵器[4]。

国内关于TA5钛合金板材加工工艺、热处理工艺的研究报道较多，而对该合金棒材热处理工艺的研究报道较少。因此本实验通过对TA5钛合金棒材进行不同工艺的热处理，研究了热处理工艺对TA5钛合金棒材组织与力学性能的影响规律，希望对后续材料加工及该合金的应用推广提供一定的参考。

1 实 验

1.1 实验材料

实验所用棒材是用经由三次真空自耗熔炼的φ600 mm TA5钛合金铸锭加工而成的。铸锭相变点为(995±5)℃,Al含量为4.2%,B含量为0.004 3%，杂质元素含量符合GB/T 3620.1—2007标准要求。棒材加工过程分为两个阶段：第一阶段为开坯和中间锻造，将铸锭在1 150 ℃保温4.5～5.5 h后，采用16MN快速液压锻造机进行变形量为88%左右的四镦四拔开坯锻造，然后用箱式电阻炉加热至(960±10)℃，保温4～4.5 h后，进行变形量为75%左右的两次拔长锻造，制成φ120 mm锻坯料；第二阶段为径向锻造，在(950±10)℃下，采用SXP-13径向锻造机进行变形量为85%左右的径向锻造，锻后棒材直径为45 mm。

1.2 实验方案

采用箱式电阻炉(控温精度为±1 ℃)，对TA5钛合金棒材进行退火热处理：①不同退火温度，分别在600、650、700、750、800 ℃，保温1 h，空冷，优选出最佳退火温度；②不同保温时间，退火温度依据第1步优选，保温时间分别为30、60、90、120、150 min，空冷。

在棒材1/2半径处沿纵向切取试样，按照GB/T 228《金属材料室温拉伸试验法》，采用INSTRON 4505万能试验机测定拉伸性能；按照GB/T5168《α-β钛合金高低倍组织检验方法》，采用Leica MM-6金相显微镜观察显微组织；按GB/T229《金属夏比缺口冲击试验方法》，采用JB-S300A摆锤式冲击试验机测定试样冲击性能。

2 结果与分析

2.1 热处理温度对显微组织与力学性能的影响

2.1.1 热处理温度对力学性能的影响

图1为TA5钛合金棒材经不同温度热处理后的力学性能。从图1中可以看出，热处理温度对TA5钛合金棒材强度和塑性的影响较大。随着热处理温度的升高，抗拉强度和屈服强度明显呈现下降趋势，特别是热处理温度超过750 ℃后强度下降现象更加明显；而延伸率和断面收缩率与强度出现相反的变化趋势，呈现上升趋势。当热处理温度在700 ℃时延伸率超过13%，断面收缩率超过42%。由图1曲线分析，TA5钛合金棒材热处理温度在700～750 ℃之间时，棒材的强度和塑性达到较好的匹配。

图1 热处理温度对TA5钛合金棒材力学性能的影响Fig.1 Effect of annealing temperature on mechanical properties of TA5 alloy bar

2.1.2 热处理温度对显微组织的影响

图2为TA5钛合金棒材锻造态及经不同温度退火后的显微组织。由图2a可以看出，棒材锻造态显微组织为均匀细小的等轴α组织，说明棒材在相变点以下的锻造变形较为充分。经600 ℃退火热处理后，其显微组织(图2b)与锻造态显微组织并无明显差异，但热处理温度超过再结晶温度以后，随着温度的升高，显微组织中等轴α相开始逐渐长大，当温度升高至750 ℃时，等轴α相(图2e)明显长大，当温度升高至800 ℃后，形成粗大的等轴组织(图2f)，并明显有晶界出现，晶界宽度虽然很小，但晶内已可以看到有少量析出物。随着热处理温度不断升高，TA5钛合金棒材组织中α相进一步球化，组织会更加均匀，残余应力得到进一步释放，棒材的强度会有所下降，塑性会提高，这与图1中的性能曲线是一致的。

图2 TA5钛合金棒材锻造态及经不同温度退火后的显微组织Fig.2 Metallographs of TA5 alloy bars at as-forged condition and different annealing temperaptures

2.1.3 热处理温度对冲击韧性的影响

表2为TA5钛合金棒材经不同工艺热处理后的冲击韧性。由表2可以看出，800 ℃下热处理的TA5钛合金棒材的冲击韧性高出600 ℃热处理的棒材36%左右，高出700 ℃热处理棒材16%左右。从3种热处理工艺得到的棒材冲击韧性数据能够看出，随着热处理温度的升高TA5钛合金棒材的冲击韧性出现明显上升趋势。表2中3种热处理工艺所对应的微观组织分别为图2中b、d、f。图2b、d组织为均匀细小的等轴α组织，这种组织强度、塑性相对匹配较好，但抗裂纹扩展能力较差,冲击性能明显要低于其它组织(除魏氏组织)，这与表2和图1曲线结果相对应。图2f为较粗大的等轴α组织，这种组织对裂纹扩展有明显的阻碍作用，冲击性能较好，但材料的塑性较差[5-7]。

表2 不同热处理工艺对TA5钛合金棒材冲击韧性的影响Table 2 Effect of annealing process on impact toughness of TA5 alloy bars

2.2 保温时间对显微组织与力学性能的影响

2.2.1 热处理保温时间对显微组织的影响

由图1可以看出，当退火温度在700～750 ℃时TA5钛合金棒材的强度和塑性达到较好的匹配。由此选择720 ℃作为热处理温度，在该温度下进行保温时间分别为30、60、90、120、150 min的退火热处理,处理后的显微组织见图3。

从图3可以看出，保温时间为30 min，棒材显微组织与锻造态相比无明显变化；保温时间为60 min时,α相出现球化，组织均匀性较好；保温时间为120 min时，α相出现长大的趋势；当保温时间延长至150 min时,α相已明显长大。从不同时间退火后的显微组织看，较佳的退火时间为60～90 min。

对比图2和图3可以看出，热处理温度对TA5钛合金棒材显微组织的影响较大，而保温时间对显微组织的影响较小。

2.2.2 热处理保温时间对力学性能的影响

图4为TA5钛合金棒材在720 ℃下分别进行保温时间为30、60、90、120、150 min退火热处理后的力学性能。从图4中可以看出，随着保温时间的延长，TA5钛合金棒材的强度呈下降趋势，而延伸率和断面收缩率曲线呈上升趋势。当热处理保温时间在60～90 min时，棒材的强度及塑性相对匹配较好。

图4 不同保温时间对TA5钛合金棒材力学性能的影响Fig.4 Effect of holding time on mechanical properties of TA5 alloy bars

虽然从图4曲线可以看出,TA5钛合金棒材强度和塑性随保温时间的延长分别出现下降和上升趋势，但变化幅度与图1相比要小。保温时间由30 min 延长至150 min时,强度变化范围在60 MPa以内，说明保温时间对TA5钛合金棒材强度的影响小于热处理温度。

3 结 论

(1)TA5钛合金棒材的较佳退火温度为700～750 ℃，较佳保温时间为60～90 min。

(2)TA5钛合金棒材退火温度在700～750 ℃，保温时间在60～90 min之间时，强度、塑性及冲击性能达到较好的匹配，其抗拉强度在740 MPa左右，屈服强度在595 MPa左右，延伸率在14%左右，冲击韧性在65 J/cm2左右。

(3)退火处理保温时间对TA5钛合金棒材的强度、塑性和显微组织的影响小于退火温度的影响。

[1] 何书林，冯永琦，王永强，等.TA5钛合金组织对锻件性能的影响 [J]. 金属学报,2002，38(9)：204-205.

[2] 稀有金属材料加工手册编写组.稀有金属材料加工手册[M].北京:冶金工业出版社,1984：471-479.

[3] 孙建科.我国船用钛合金研究、应用于发展[J]. 金属学报,2002,38(9):33-36.

[4] 刘兴合．TA5钛合金切削特性分析[J]. 舰船光学，2004,40(3)：46-48.

[5] 闵新华，朱益潘，罗月新.变形量对Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V合金组织和性能的影响[J]. 金属学报,2002，38(9)：181-182.

[6] 张宝昌.有色金属及其热处理[M].西安:西北工业大学出版社,1993：46.

[7] 李东，邓炬，于振涛.热处理工艺对TA17合金棒材组织的影响[J].材料热处理技术，2008,37(6):59-61.