热加工对β-CEZ钛合金组织和力学性能的影响

戚运莲，辛社伟，杜 宇，曾立英，刘 伟，孙花梅，谭伟力，谢翀博，孙宝红

(西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

0 引 言

β-CEZ是一种高合金化、高强度的亚稳近β型钛合金，兼有α+β两相合金和亚稳β相合金的性能特征，即固溶状态具有良好的冷加工性能，固溶时效状态下强度、塑性和断裂韧性可实现良好匹配，且热加工性能十分优异。β-CEZ 钛合金被主要用于制造航空航天领域的压气机盘、导弹舵轴等大截面结构件[1-5]。在现有的钛合金中，由于最初设计开发的应用目标不同，仅有少量β合金适于制备管材，且经热处理后强度仅可以达到1 200 MPa左右。目前，一些国家的钛及钛合金无缝管制造技术已经比较成熟，而我国高强度钛合金管材的研制仍处于起步阶段[6-9]，关于β-CEZ钛合金作为管材的应用更是鲜有报道。

管坯的制备方法主要有2种，钻孔挤压和斜轧穿孔[10-11]。斜轧穿孔法虽然金属消耗量小，但是管坯的壁厚均匀性较差，会严重影响后续管材的轧制质量；钻孔挤压法虽然生产成本高，但制备的管坯壁厚均匀、组织性能较好，在挤压变形后，金属材料的晶粒更加细小均匀，还可以获得较高的管材尺寸精度[12-15]。为此，本研究采用钻孔挤压法制备β-CEZ钛合金管坯，分析挤压温度以及热处理工艺对β-CEZ钛合金挤压管材显微组织和力学性能的影响，旨在揭示热加工工艺与合金显微组织和力学性能之间的联系规律，从而为该合金管材的批量稳定化生产提供理论指导。

1 实 验

实验用料为经三次真空自耗电弧熔炼的吨级β-CEZ钛合金铸锭，其名义成分为Ti-5Al-4Mo-2Cr-4Zr-2Sn-1Fe，差热分析法测得β相变点在890 ℃左右。利用液压式锻机，经β相区开坯后，沿轴向拔长成方坯，然后对方坯在相变点以下40～50 ℃温度范围内的α+β两相区进行一次镦拔和多次镦拔，在两相区拔长、滚圆，锻成直径为150 mm 的棒材。采用钻床钻孔和数控车床机将φ150 mm的棒材加工成管坯，采用铜钢双包套在5000T卧式挤压机上对管坯进行热挤压，挤压温度分别为两相区830 ℃和β相区930 ℃，挤压管材规格为φ50 mm×10 mm。

从挤压管材上截取试样进行力学性能测试和显微组织分析。本试验对挤压管材试样在两相区不同温度(800、830、860 ℃)分别进行固溶处理, 继而进行不同温度(550、600、650 ℃)下的时效处理, 然后进行室温拉伸试验和金相组织观察。拉伸试验在INSTRON1185万能拉伸机上进行，金相分析在OLYMPUS PMG3金相显微镜上进行，样品腐蚀剂为10%HF+30%HNO3+60%H2O(体积分数)。

2 结果与讨论

2.1 镦拔对管坯组织的影响

β-CEZ钛合金管坯经过一次镦拔和多次镦拔后的显微组织如图1所示。由图1可以看出,一次镦拔后β-CEZ钛合金管坯的显微组织晶粒较为粗大，且大小不一，β晶界不明显，晶粒内有板条状α相析出 (图1a)；多次镦拔后等轴组织明显得到细化和均匀化，β晶界非常清晰，等轴晶内有细小的针状和短板条状α相析出(图1b)。

图1 一次镦拔与多次镦拔后β-CEZ钛合金管坯的显微组织Fig.1 Microstructures of single and repeated upsetting and drawing of β-CEZ titanium alloy tube blanks：(a)single upsetting and drawing; (b)repeated upsetting and drawing

2.2 挤压温度对管材组织和性能的影响

表1为在830 ℃和930 ℃挤压获得的β-CEZ钛合金管材的力学性能(挤压状态)。由表1可以看出，830 ℃下挤压获得的β-CEZ钛合金管材抗拉强度可以达到1 290 MPa左右，延伸率约为10%，断面收缩率约为30%；930 ℃下挤压获得的管材抗拉强度可以达到1 350 MPa左右，但是延伸率降低至6%，断面收缩率降低至16%，故相变点以下830 ℃挤压管材的强度和塑性匹配较好。而在相变点以上930 ℃挤压获得的管材虽然塑性有大幅降低，但由于挤压温度较高，挤压过程会比较顺利，且高温下挤压变形抗力小，对设备的能力要求小，故实际生产中可结合产品性能要求选择适当的挤压温度。

表1 不同挤压温度下β-CEZ钛合金管材的室温力学性能

图2为β-CEZ钛合金管坯在830 ℃和930 ℃挤压后的显微组织。从图2可以看出，930 ℃挤压获得的β-CEZ钛合金管材的显微组织(图2b)明显比830 ℃的更为粗大(图2a)。相变点以上进行管坯挤压时，所需的挤压力虽小，但是高温会使管坯的晶粒长大，导致管材塑性大幅降低。

2.3 固溶和时效温度对管材性能的影响

从挤压温度对β-CEZ钛合金管材组织和力学性能影响的分析得出，相变点以下两相区830 ℃挤压获得的管材具有较好的综合力学性能，故后续对该温度下获得的管材进行固溶时效处理。图3为β-CEZ钛合金在830 ℃挤压，经800、830、860 ℃×1 h/AC固溶处理后，固溶温度与管材力学性能的关系曲线。由图3可以看出，随着固溶温度的升高，β-CEZ钛合金管材的抗拉强度增大，屈服强度也随之增大，延伸率和断面收率则随着固溶温度的升高而降低。当固溶温度由830 ℃升高到860 ℃时，延伸率变化不大，断面收缩率继续降低。

图4为β-CEZ钛合金管材在830 ℃挤压，经860 ℃固溶，再经(550、600、650)℃×8 h/AC时效处理后，时效温度与管材力学性能的关系曲线。由图4可以看出，随着时效温度的升高，β-CEZ钛合金管材的抗拉强度和屈服强度降低，延伸率和断面收缩率增大，且断面收缩率曲线斜率较大，表明断面收缩率增大显著，说明时效温度对断面收缩率影响较大。

图4 时效温度与β-CEZ钛合金管材力学性能的关系曲线Fig.4 Aging temperature and tensile properties curves of β-CEZ titanium alloy tubes

2.4 挤压管材的显微组织和力学性能

表2为830 ℃挤压β-CEZ钛合金管材经不同固溶+时效处理后的力学性能。由表2可以看出，挤压管材经830 ℃×1 h/AC+550 ℃×8 h/AC处理后，管材拉伸强度可以达到1 455～1 466 MPa，延伸率为7%～8.5%。当固溶温度降低至800 ℃，时效温度提高到600 ℃时，管坯强度降低到1 260～1 270 MPa，延伸率提高到15%，可见降低固溶温度的同时提高时效温度后，挤压管坯的拉伸强度降低了约200 MPa,但塑性提高近1倍。

表2 不同热处理制度下β-CEZ钛合金管材的室温力学性能

图5为830 ℃挤压β-CEZ钛合金管材经不同固溶+时效处理后的显微组织。由图5可以看出，经830 ℃×1 h/AC+550 ℃×8 h/AC热处理后，管材的显微组织由β晶界和板条状α相组成；经800 ℃×1 h/AC+600 ℃×8 h/AC热处理后，管材的显微组织由β晶界和等轴α相组成，且晶粒细小均匀。

图5 不同热处理制度下β-CEZ钛合金管材的显微组织Fig.5 Microstructures of β-CEZ titanium alloy tubes by different heat treatments:(a)830 ℃×1 h/AC+550 ℃×8 h/AC； (b)800 ℃×1 h/AC+600 ℃×8 h/AC

3 结 论

(1)β-CEZ钛合金在相变点以下经多次镦拔后显微组织明显细化、均匀，且在相变点以下挤压获得的β-CEZ钛合金管材具有更好的强塑性匹配。

(2)随着固溶温度的升高，β-CEZ钛合金挤压管材的强度增大，塑性降低；随着时效温度的升高，强度降低，塑性增大。

(3)经830 ℃挤压获得的β-CEZ钛合金管材经800 ℃×1 h/AC+600 ℃×8 h/AC热处理后，强度和塑性匹配良好，拉伸强度大于1 250 MPa, 延伸率大于15%，显微组织为细小均匀的等轴组织。