退火温度对Gr.12合金板材力学性能的影响
2021-10-31赵小龙周雪红
王 田，赵小龙，周雪红
(新疆湘润新材料科技有限公司，新疆 哈密 839100 )
Gr.12合金是一种近α型钛合金，属于Ti-Mo-Ni系，其名义成分为Ti-0.3Mo-0.8Ni，于20世纪70年代中期由美国钛金属公司研制，该合金在抗腐蚀性能方面，尤其在还原性和氯化物环境中的抗腐蚀性能明显优于工业纯钛，接近Ti-Pd合金的抗腐蚀性水平。合金元素中含有少量的Mo和Ni不仅提高了合金强度，还能够形成很低的阴极超电压，使其在高温、高浓度的氯化物或弱还原性酸中具有极强的抗缝隙腐蚀能力[1、2]。此外，Gr.12合金还具有优良的工艺成形性能和综合的机械性能，因不含有贵金属，与Ti-Pd合金相比成本大幅度降低，在化学工业、环境污染控制及核废物处理等方面得到了广泛的应用，是制造热交换器、管式反应器、制氯电解槽等的优良材料[3、4]。
由于Gr.12合金所具有的成本优势及优异性能，在一般工业中的使用量日益剧增，目前相关学者和工程技术人员对Gr.12合金也做了一定的研究，从研究方向来看主要集中在材料耐腐蚀性能和变形加工工艺方面，对该材料的热处理工艺方面的研究较少。因此，本文采用了不同退火温度的热处理工艺，对比各工艺下Gr.12合金板材室温力学性能的影响，并由此获得最佳的热处理参数，为批量化生产提供工艺依据。
1 试验材料及方法
1.1 试验材料的制备
试验材料为经2次真空自耗电弧炉熔炼制备的Gr.12合金Ф900mm铸锭，铸锭经1000℃开坯、回火锻造成厚度δ250mm板坯，再在800℃～900℃两火次轧制为厚度δ16mm板材，其所含元素质量百分数为Mo：0.26～0.29%、Ni：0.68～0.75%、Fe：0.02～0.04%、O：0.12～0.14%、H：0.001%、其余为Ti。
1.2 退火工艺设计
采用不同退火温度的6种热处理工艺，对比分析退火温度对Gr.12合金板材室温强度和塑性的影响。退火工艺如表1所示。
表1 不同退火工艺
1.3 性能检测
在δ16mm板材上截取试样块，按照表1所列退火制度在高精度箱式电阻热处理炉中进行热处理，热处理后的毛坯样按照产品标准ASTM B265-20《Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy Strip,Sheet,and Plate》要求，加工为宽度12.5mm的ASTM E8-2015《Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials》板状标准试样，在万能拉伸试验机上进行室温拉伸性能检测。
2 结果与分析
2.1 检测数据
不同退火制度热处理后试样检测的横（T）、纵（L）向室温拉伸性能如表2所示。
表2 不同退火制度下板材横、纵向室温拉伸性能
2.2 结果分析
不同退火制度对Gr.12合金板材横、纵向室温拉伸强度和塑性的影响规律如图1、图2所示。
图1 不同退火制度的板材横向性能
图2 不同退火制度的板材纵向性能
从图1可以看出，将退火温度从600℃升至800℃过程中，随着退火温度的升高，板材横向抗拉强度和屈服强度先呈降低趋势，在720℃退火时达到最低值，降幅分别为48Mpa和76Mpa，继续升高退火温度后板材抗拉强度和屈服强度又随之提高了20Mpa～30Mpa，直至800℃基本维持不变。板材伸长率变化规律与强度变化规律恰好相反，随退火温度升高呈先提高再降低的趋势，且在720℃达到最高值。
图2为板材纵向室温拉伸性能随退火温度的变化趋势，将退火温度从600℃升至800℃过程中，与横向抗拉强度和屈服强度类似，也是随着退火温度的升高呈降低趋势，在680℃时处于强度最低值，屈服强度仅为348Mpa～350Mpa，已接近产品标准ASTM B265-20中的下限值要求。继续升高退火温度至760℃以上，板材抗拉强度和屈服强度又随之提高了20Mpa～30Mpa，直至800℃基本维持不变。板材伸长率变化规律也与其强度变化规律相反，随退火温度升高呈先提高再降低的趋势，且在680℃达到最高值。
从图1和图2所呈现出的板材强度与塑性的变化规律其原因在于，Gr.12合金板材经轧制变形后的再结晶温度约为700℃左右，当退火温度为600℃～720℃时，主要发生回复过程，在该阶段随着退火温度的升高，材料热激活作用增强，原子的迁移扩散能力增强，材料回复软化率系数也越大，即材料软化效果越明显[5]。当退火温度在720℃～800℃时，主要发生再结晶过程，由于板材在退火前经过大变形轧制，材料内部位错密度急剧增加，形成大量再结晶晶核，并产生聚集很高的位错密度储存能，位错密度储存能是发生再结晶的驱动力，在材料达到一定的温度后，大量晶核再结晶从而形成细小等轴晶粒[5]，并达到细晶强化的效果。
3 结论
（1）在试验条件范围内，板材抗拉强度和屈服强度呈先降低再升高的趋势，横、纵向分别在720℃和680℃时处于强度最低值。伸长率变化规律与强度变化规律恰好相反，随退火温度升高呈先提高再降低的趋势，且横、纵向分别在720℃和680℃时达到最高值。
（2）在本次试验条件范围内，Gr.12合金板材最优的退火温度为760℃。
