热处理工艺对BTi-421111钛合金厚板组织及性能的影响

供稿|雷挺，高飞，苗阳，王勤波

内容导读

BTi-421111是一种新型研制的中等强度塑性良好的钛合金。本文通过研究BTi-421111钛合金8.0 mm厚板在热态R、750 ℃/1 h、780 ℃/1 h、810 ℃/1 h、840 ℃/1 h不同状态下的显微组织与性能，优选出合适的热处理温度范围为780～840 ℃；并对840 ℃/1 h与940 ℃/1 h WQ+760 ℃/4 h两种不同热处理工艺下板材的显微组织与性能进行对比。实验结果表明：板材经780～840 ℃温度热处理后呈均匀的两相区，达到良好的组织与性能的匹配；840 ℃/1 h热处理后板材横向具有更高的强度和冲击性能，而940 ℃/1 h WQ+760 ℃/4 h热处理后板材具有良好的塑性。

BTi-421111钛合金由铝、锆、锡、钼、钒、铬按4∶2∶1∶1∶1∶1的质量比组成，是自主开发研究的中等强度塑性良好的钛合金[1]。铝元素在合金中起固溶强化提高强度的作用，其他合金元素的添加可提高钛合金的加工性能。BTi-421111合金属于两相钛合金，强度与Gr.5钛合金相当，加工性能优异。文献报道主要集中在钛合金薄板显微组织和拉伸性能的研究[2]，而对BTi-421111钛合金中厚板组织及性能的研究相对缺少。

本文对BTi-421111钛合金8.0 mm厚板在不同热处理工艺下的组织及性能进行研究。

实验方法

采用EB熔炼炉得到的BTi-421111钛合金板坯，相变温度为985 ℃，化学成分见表1。实验中通过修磨、下料等工序，在α+β两相区经过二三火轧制成8.0 mm厚成品板材。对钛合金板材分别取样进行热态R(A)、750 ℃/1 h(B)、780 ℃/1 h(C)、810 ℃/1 h(D)、840 ℃/1 h(E)检测，选出合适的热处理工艺，并与固溶时效态940 ℃/1 h WQ+760 ℃/4 h(F)的性能进行对比。

表1 BTi-421111钛合金铸锭化学成分(质量分数，%)

结果与讨论

不同热处理工艺对板材显微组织的影响

BTi-421111在不同热处理工艺下的微观组织如图1所示。从图1(a)看出板材存在加工过程中的长条α，等轴α，整体呈纤维状；经750 ℃/1 h退火后大部分组织发生了回复和再结晶，但仍存在拉长的组织(图1(b))；经780 ℃/1 h退火后板材长条组织发生断开，没有明显的长条组织(图1(c))；经810 ℃/1 h和840 ℃/1 h退火后板材组织无长条α存在，长条组织被均匀断开(图1(d)和图1(e))；经940 ℃/1 h WQ+760 ℃/4 h热处理完组织在β基体上存在明显的等轴α和片状α，为典型的双态组织[3-6]。

图1 BTi-421111在不同热处理工艺下的微观组织：(a) 热态；(b) 750 ℃/1 h；(c) 780 ℃/1 h；(d) 810 ℃/1 h；(e) 840 ℃/1 h；(f) 940 ℃/1 h WQ+760 ℃/4 h

不同热处理工艺对板材性能的影响

图2 为板材在不同热处理工艺下的横向拉伸性能。从图中可以看到，板材的抗拉强度Rm和屈服强度Rp0.2均呈现先下降后上升的趋势，延伸率A则呈现先上升后下降的趋势且在780 ℃/1 h工艺下达到最大值，这说明在热轧态的板材中存在一定的畸变能，板材发生了回复和再结晶；结合显微组织分析发现在780～840 ℃之间热处理后板材再结晶完全，晶粒大小均匀，组织与性能匹配良好。

对板材在780 ℃/1 h与固溶时效态工艺下的拉伸性能进行对比分析(图3)发现780 ℃/1 h 工艺下的抗拉强度Rm和屈服强度Rp0.2均优于固溶时效态工艺，但固溶时效态的延伸率A较高，表明固溶时效态下板材存在一定的纵、横向性能差异，而固溶时效热处理后板材组织更加均匀一致，强度下降，塑性升高。

图4为板材在780 ℃/1 h与固溶时效态工艺下的冲击性能和晶粒尺寸对比分析图。从图中可以看到，780 ℃/1 h工艺下的板材冲击性能明显优于固溶时效态工艺，但平均晶粒尺寸基本一致，表明固溶时效态可以降低横向冲击性能。

图2 不同热处理工艺下板材横向拉伸性能对比

图3 不同热处理工艺下板材横向拉伸性能对比

图4 不同热处理工艺下板材横向冲击性能和晶粒尺寸对比

结束语

(1) 板材经在780～840 ℃温度之间热处理后呈均匀的两相区，达到良好的组织与性能的匹配。

(2) 840 ℃/1 h热处理后板材横向具有更高的强度和冲击性能，而940 ℃/1 h WQ+760 ℃/4 h热处理后板材具有良好的塑性。