面向艦船工程高強(qiáng)耐蝕需求的TA5鈦合金65mm級(jí)軋制厚板熱處理工藝深度解析：退火溫度梯度驅(qū)動(dòng)下的α相動(dòng)態(tài)再結(jié)晶演變對(duì)室溫沖擊吸收能非線性躍升及準(zhǔn)解理向全韌窩聚合型延性斷裂形貌轉(zhuǎn)變的跨尺度調(diào)控機(jī)制

引言

鈦及其合金具有比強(qiáng)度高、耐熱和耐蝕性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、海洋工程等領(lǐng)域。TA5鈦合金是α相鈦合金，名義成分為Ti-4Al-0.005B,強(qiáng)度中等，塑性較差，但焊接性能和抗蝕性能優(yōu)良，被廣泛應(yīng)用于船舶制造領(lǐng)域。

隨著我國造船工業(yè)的不斷發(fā)展，TA5鈦合金板材的用量不斷增加，性能要求也不斷提高。目前，對(duì)TA5鈦合金的研究主要集中在棒材和鍛件的加工與熱處理工藝方面，對(duì)寬厚板熱處理工藝的研究較少。本文對(duì)TA5鈦合金板進(jìn)行不同溫度的退火處理，研究退火溫度對(duì)TA5鈦合金板室溫沖擊性能和沖擊斷口形貌的影響。

1、試驗(yàn)材料及方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用材料為3次真空自耗電弧爐熔煉 Φ720 mmTA5鈦合金鑄錠,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如下:Al為4.4%~4.5%,B為0.004%~0.005%,Fe為0.23%~0.24%,O為0.11%~0.13%,C為0.006%~0.007%,H<0.001%。鑄錠在Tβ以上溫度經(jīng)多火次開坯、鐓拔和鍛造成厚350mm板坯,再在Tβ以下溫度一次軋制成65mmx2300mmxL板材,顯微組織為拉長與扭曲狀α相和少量細(xì)小等軸狀α相,如圖1所示。

1.2退火工藝

采用6種溫度對(duì)TA5鈦合金板進(jìn)行退火處理，結(jié)果見表1。

表1退火工藝

1.3性能檢測

退火后按GJB944A2018《艦船用鈦及鈦合金板材規(guī)范》要求制備沖擊試樣，在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn);采用JSM-IT700HR掃描電子顯微鏡檢驗(yàn)沖擊斷口形貌。

2、結(jié)果與分析

2.1退火溫度對(duì)沖擊性能的影響

不同退火溫度TA5鈦合金板沖擊性能見表2，沖擊吸收能量隨退火溫度的變化如圖2所示。由表2和圖2可知,板材的室溫沖擊性能隨退火溫度的升高而提高，在800℃以上溫度退火的板材沖擊性能提高較明顯,950℃退火的板材沖擊性能最好。這是因?yàn)殡S著再結(jié)晶程度的增大, α相晶粒尺寸對(duì)板材沖擊性能的影響更顯著。

表2 不同溫度退火的TA5鈦合金板的沖擊性能

2.2退火溫度對(duì)沖擊斷口形貌的影響

不同溫度退火的TA5鈦合金板沖擊試樣斷口的宏觀和微觀形貌如圖3、圖4所示。由圖3可知，沖擊斷口可分為纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇3部分，700和750℃退火的板材斷口兩側(cè)有較大剪切唇，上部和下部存在較小的纖維區(qū)，中間放射區(qū)較大，說明沖擊試驗(yàn)過程中材料在彈性變形后缺口部位發(fā)生微小的塑性變形，而后形成裂紋并擴(kuò)展成較小的纖維區(qū)。裂紋擴(kuò)展到一定深度時(shí)發(fā)生平面應(yīng)變，且裂紋達(dá)到臨界尺寸后快速擴(kuò)展形成放射區(qū)。800和850℃退火的板材沖擊斷口兩側(cè)剪切唇減小，而下部二次纖維區(qū)逐漸增大。這是由于在該溫度退火使材料完全再結(jié)晶，塑性和韌性提高，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至切口以外接近試樣表面時(shí)，因位錯(cuò)易滑移形成二次纖維區(qū)。900和950℃退火的板材斷口兩側(cè)剪切唇進(jìn)一步減小，中部放射區(qū)面積減小，下部二次纖維區(qū)顯著增大。

由圖4可知,700~850℃退火的TA5鈦合金板斷口為準(zhǔn)解理+韌窩的混合斷口,在準(zhǔn)解理面的斷裂區(qū)存在大量撕裂棱和變形韌窩;隨著退火溫度的提高，韌窩在塑性變形階段擴(kuò)大且深度增加，斷口起伏增大，撕裂棱更明顯。900~950℃退火的板材沖擊斷口有大量韌窩,且韌窩較深,韌窩周圍存在非常明顯的較薄的撕裂棱,展現(xiàn)出典型的韌窩聚合型延性斷裂特征,韌窩尺寸越大,在形成韌窩的過程中發(fā)生的塑性變形越大，斷裂吸收的能量越多，韌性越好,因此其沖擊性能越好。

3、結(jié)論

(1)厚65mmTA5鈦合金板沖擊性能隨著退火溫度的升高明顯提高，在800℃以上溫度退火的板材沖擊性能提高更明顯,950℃退火的板材沖擊性能最佳。

(2)700~850℃退火的TA5鈦合金板沖擊斷口為準(zhǔn)解理+韌窩的混合斷口,準(zhǔn)解理面的斷裂區(qū)存在大量撕裂棱和變形韌窩;900~950℃退火的板材，其韌窩在塑性變形階段被充分?jǐn)U大和加深,展現(xiàn)出典型的韌窩聚合型延性斷裂特征。

參考文獻(xiàn)

[1]《稀有金屬材料加工手冊(cè)》編寫組.稀有金屬材料加工手冊(cè)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1984.

[2]郝曉博,張強(qiáng),陶會(huì)發(fā),等.軋制工藝對(duì)TA5鈦合金薄板組織與性能的影響[J].熱加工工藝,2019,48(19):119-120.

[3]何書林,馮永琦,王永強(qiáng),等.TA5鈦合金組織對(duì)鍛件性能的影響[J].金屬學(xué)報(bào),2002,38(增刊1):204-205.

[4]陳軍,趙永慶,常輝.中國船用鈦合金的研究和發(fā)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2005,19(6):67-70.

[5]王曉亮,楊卿衛(wèi),李宇露,等.不同退火組織對(duì)TC11鈦合金動(dòng)態(tài)沖擊性能的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào),2023,44(11):92-100.

[6]王春雨,席文君.TC18鈦合金沖擊缺口敏感性研究[J].稀有金屬材料與工程,2012,41(4):663-666.

[7]崔約賢,王長利.金屬斷口分析[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1998.

[8]汪啟明，楊晶，陳海生，等.大規(guī)格Ti80合金棒材沖擊韌性各向異性研究[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,2023,40(5):9-14.

（注，原文標(biāo)題：退火溫度對(duì)TA5鈦合金板沖擊性能和沖擊斷口形貌的影響_胡蕾）