文／李瑞锋，张智鑫，杨慧丽，张伟，李巍，何书林·宝鸡钛业股份有限公司

本文研究了经不同锻造工艺锻制的Ti-30Zr-5Al-3V合金棒材的四类显微组织：魏氏组织、网篮组织、双态组织和等轴组织。通过相同的热处理工艺处理后，研究不同显微组织对应的室温和400℃高温性能。研究结果表明：添加30%的Zr元素不会影响两相钛合金的相组成，通过适当的工艺可以获得魏氏、网篮、双态和等轴四类两相钛合金典型的组织类别；Ti-30Zr-5Al-3V合金的室温强度约在1100MPa以上，但延伸率很低，只有10%左右；Ti-30Zr-5Al-3V合金的400℃高温强度可达900MPa以上，延伸率在9%～16%，400℃高温拉伸时的屈服强度约为700MPa。

钛及钛合金具有高强度、低密度和优异的抗腐蚀性能，在许多领域的应用极具吸引力。锆属于高熔点金属，在地壳中含量约为0.025%，超过Ni、Zn、Sn、Cu、Co等工业上普遍使用的金属。锆材力学性能和工艺性能适合制造容器和换热器，是化工行业中的重要结构材料。在钛金属中加入锆可强化α相，加入量小于65.6%时起降低(α+β）/β相转变温度的作用。锆在α钛和β钛中均有较大的固溶度，属于无限固溶类的一类中性元素，锆元素的添加使钛的室温抗拉强度升高，塑性下降。很多文献书籍中已经介绍了Zr元素对钛的影响，但加入量一般不大于15%。本文主要研究在钛合金中加入30%的Zr元素后，不同的组织形态对其性能的影响。

实验材料及方法

本实验所用材料为经二次真空熔炼的Ti-30Zr-5Al-3V钛合金铸锭，铸锭的化学成分如表1所示，锻造工艺设计如表2所示。经四个不同工艺锻制的φ100mm棒材机加、探伤切除缺陷后，切取横向试样。试样进行700℃/1h·AC的普通退火后，进行室温和400℃高温力学性能检测。棒材的实测相变点为855℃。

实验结果及讨论

在钛合金特别是α+β双相钛合金中，可以观察到各式各样的组织，钛合金的力学性能在很大程度上取决于这两个相的比例、形态、尺寸和分布。目前，最典型且应用最广泛的TC4钛合金的四种典型组织对应的性能如表3所示。

表1 Ti-30Zr-5Al-3V合金铸锭的化学成分(wt%)

表2 Ti-30Zr-5Al-3V合金棒材锻造工艺设计

表3 TC4典型组织的室温力学性能

由表3可以看出，不同的显微组织对TC4的室温性能有很大的影响。随着α相尺寸的减小，棒材的强度有所降低，延伸率显著提高。许多研究者认为，复杂合金化钛合金的强化水平是由加入的各种元素产生的强化叠加起来的，由此，通过计算可得TC4合金中Al强度当量为9.8，Mo强度当量为2.4，计算强度约为940MPa，这与其真实值基本相当。对于Ti-30Zr-5Al-3V合金，按名义成分进行计算，Al强度当量为15，Mo强度当量为1.76，进而计算出该合金的强度值约为1220MPa。相关学者研究发现：钛锆合金相对于纯锆和纯钛，合金熔点降低了，耐腐蚀性变强了，并且由于钛锆合金具有更细小的显微组织，其强度和塑性都比纯锆和纯钛高。

通过表2设计的锻造工艺，获得了Ti-30Zr-5Al-3V合金的四类典型组织：魏氏组织、网篮组织、双态组织和等轴组织。通过分析不同组织形貌对应的力学性能，积累Ti-30Zr-5Al-3V合金的性能特点。

不同锻造工艺对显微组织的影响

由图1可以看出：添加了30%Zr的Ti-30Zr-5Al-3V合金属于典型的α+β双相钛合金，其组织形貌与两相钛合金的组织类型一致，这与Zr元素是中性元素的结论是一致的。

1#工艺图1(a）、1(b）为全β区变形组织，因此显微组织可以清晰地看到原始β晶粒及三叉晶界，经700℃/1h·AC退火处理后晶粒内的α束集宽化，每个晶粒内的α束取向趋于一致且平直并列，有少量编织状组织。由图1(a）、1(b）对比可以看出：经1#工艺锻制的棒材纵向α束集相对粗大，纵向α片层厚度约为5～8μm，横向约为3～4μm。

2#工艺图1(c）、1(d）为相变点附近变形组织，相变点上变形，α束集与晶界α相在压应力作用下呈编织状排布，无明显原始β晶界，α条相对较短且相互交错，呈网篮状。由图1(c）和1(d）对比可以看出：经2#工艺锻制的棒材横向编织状网篮组织更细小。

图1 Ti-30Zr-5Al-3V合金的不同锻造工艺下的组织形貌

3#工艺图1(e）、1(f）在相变点下有70%变形，初生α相沿晶界析出，呈等轴状；次生α细小片层均匀分布在β转变组织的基体上，初生α相含量约为40%。由图1(e）和1(f）对比可以看出：经3#工艺锻制的棒材横向初生α相更细小，含量较多。

4#工艺图1(g）、1(h）在相变点以下有70%变形，片层状α完全球化，α晶粒整体呈球状和棒状，初生α相含量约为80%。由图1(g）和1(h）对比可以看出：经4#工艺锻制的棒材横向α相更细小，含量较多。

不同锻造工艺的力学性能对比

在经4种工艺锻制的棒材上分别切取纵、横向试样统一进行700℃/1h·AC热处理后，按GB/T 228.1-2010的试验方法进行检测，其中室温力学性能结果如表4所示。

由表4可以看出：不同的组织类型对棒材的室温力学性能影响很大，纵向的强度低于横向，但延伸率则反之。其中魏氏组织的强度最高，可达1234MPa，延伸率最小，只有5%。等轴组织的强度最低，只有1105MPa，但延伸率可达12%。强度由高到低的排序为：魏氏组织＞网篮组织＞双态组织＞等轴组织，延伸率由小到大的排序为：魏氏组织＜网篮组织＜双态组织＜等轴组织。

由表5可以看出：经700℃热处理后，四种组织对应的400℃高温性能也有很大的差别，但室温力学强度高的400℃高温强度也高。魏氏组织的400℃高温强度为1004MPa，而等轴组织的400℃高温强度只有948MPa。由表4和表5的数据比对可知，室温下Ti-30Zr-5Al-3V合金的抗拉强度与屈服强度值相差约为100MPa，但400℃时两者的差值约为250MPa。

表4 Ti-30Zr-5Al-3V合金四种组织对应的室温力学性能

表5 Ti-30Zr-5Al-3V合金四种组织对应的400℃高温力学性能

结论

通过研究Ti-30Zr-5Al-3V两相钛合金的组织及性能特点，可以得出以下结论：⑴添加30%的Zr元素不会影响两相钛合金的相组成，通过适当的工艺可以获得魏氏、网篮、双态和等轴四类两相钛合金典型的组织类别；⑵Ti-30Zr-5Al-3V合金的室温抗拉强度在1100MPa以上，但延伸率很低，只有10%左右；⑶Ti-30Zr-5Al-3V合金的400℃高温抗拉强度可达900MPa以上，延伸率在9%～16%，400℃高温拉伸时的屈服强度约为700MPa。