文章编号：1004-0609(2010)S1-s0091-03

Ti-55钛合金超塑性板材的显微组织与力学性能

王娟华¹，王红武¹，陈志勇²， 陈永辉¹，王  新¹，张  磊¹，贺  军¹，田  丽¹

 (1. 宝鸡钛业股份有限公司，宝鸡721014; 2. 中国科学院 金属研究所，沈阳110016)

摘  要：将二次真空自耗熔炼的Ti-55钛合金铸锭轧制成1.2 mm厚的薄板，研究Ti-55钛合金超塑性板材的显微组织与力学性能。结果表明，显微组织均匀，晶粒极细的Ti-55钛合金超塑性板材, 具有良好的室温拉伸性能和超塑性能。超塑性拉伸试验表明，在一定的变形温度范围(880~920 ℃)与变形速率(1.4×10^-3 s^-1)下，Ti-55钛合金板材超塑性伸长率可达到700%以上。

关键词：Ti-55钛合金；超塑性；显微组织；力学性能

中图分类号：TG 146.2⁺3　　     文献标志码：A

Microstructure and properties of superplastic plate of Ti-55 alloy

WANG Juan-hua¹, WANG Hong-wu¹, CHEN Zhi-yong², CHEN Yong-hui¹, WANG Xin¹, ZHANG Lei¹, HE Jun¹, TIAN Li¹

 (1. Baoji Titanium Industry Co., Ltd., Baoji 721014, China;

2. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

Abstract: The 1.2 mm thick plates of Ti-55 alloy were rolled from ingots melted by twice vacuum arc furnaces. Microstructure and properties of superplastic plate of Ti-55 alloy were studied. The results show that very fine crystalline grain and good room temperature tensile property have obtained through improved rolling processing.  With this processing, a total elongation above 700% could be obtained at 880-920 ℃ at strain rate of 1.4×10^-3 s^-1.

Key words: Ti-55 alloy; superplasticity; microstructure; mechanical property

超塑性一般是指拉伸条件下，表现出异常高的伸长率而不发生缩颈和断裂的现象。通常用材料的伸长率来衡量，以达到或超过一定的伸长率称为超塑性。Ti-55钛合金是我国自行研制的最高工作温度在550 ℃的高温钛合金，随着工程化应用的需求，需研制该合金的超塑性板材，以满足其在航空航天领域超塑性成型方面的应用。国内外关于钛合金超塑性的研究，多集中于其超塑性变形行为的研究^[1-3]，关于超塑性板材轧制工艺及其相关力学性能的报道很少，本研究的目的是通过优化Ti-55钛合金板材的轧制工艺，期望改善最终板材的显微组织，在保证一定的瞬时拉伸强度的基础上，得到超塑性性能良好的板材。

1  实验

1.1  实验材料

本实验原料为Ti-55钛合金，其名义成分(质量分数，%)如下：Ti-(5.2~5.5)Al，(3.0~3.5)Sn，(2.8~3.0)Zr，(1.0~1.5)Mo，(0.4)Ta，(0.4)Nb，(0.30)Si。Ti-55钛合金铸锭由二次真空自耗熔炼而成，并在辊径为1 200 mm的四辊可逆式轧机上进行轧制，最终得到厚度为1.2 mm的成品板材。

1.2  超塑性板材的轧制

超塑性材料要求具有均匀、细小的等轴晶组织，晶粒大小一般不超过10 μm或更小。由于Ti-55钛合金是一种高强度的近α型钛合金，根据此类钛合金的加工特点，选择在β相变点以上开坯，以降低变形抗力，防止轧制时板坯开裂。轧制在两相区进行，板材轧制后，用于拉伸试验的板材在600~880 ℃之间进行退火，退火后进行组织性能测试；用于超塑性拉伸的板材以轧制态进行实验。    

2  结果与讨论

2.1  板材的显微组织

轧制态板材的显微组织如图1所示。由图1可以看出，在平行于轧制方向和垂直于轧制方向上，板材的显微组织差别不大，均由细小的等轴α晶粒组成，晶粒尺寸均控制5 μm以下。板材轧制过程中，当从β相区淬火后，由于冷速很快，对于近α型钛合金，会生成针状的α′相马氏体板条，相邻的马氏体板条之间没有固定的取向关系，呈现出交叉排列的形貌^[4]。由于α′马氏体相在较低的轧制温度下十分稳定，不易分解，这样在经过轧制后，细长的马氏体板条得到充分破碎，得到晶粒细小的组织。不同退火温度后板材的显微组织如图2所示。退火温度在800 ℃以下时(见图2(a)和(b))，板材显微组织中马氏体组织较稳定，但存在少量分解；随着退火温度的升高，马氏体组织大量分解为β相和α相，退火温度在880 ℃以上时，α相晶粒的尺寸开始发生明显的长大(见图2(c)和(d))。

图1  轧制态板材的显微组织

Fig.1  Microstructures of as-rolled plates: (a) Vertical to rolling direction; (b) Parallel to rolling direction

图2  不同退火温度下板材的显微组织

Fig.2  Microstructures of Ti-55 plates at different heat treatment temperatures: (a) 600 ℃; (b) 800 ℃; (c) 880 ℃; (d) 900 ℃

2.2  超塑性板材的力学性能

2.2.1  不同退火温度下板材的室温拉伸性能

板材的室温拉伸性能见表1，可以看出，随退火温度的升高，板材的拉伸强度下降，拉伸塑性升高。同轧态的板材相比，在600 ℃退火处理后，板材的强度略微升高，但拉伸塑性有一定的下降，这是由于在此温度退火时，马氏体组织很少分解，但组织中会析出α₂等脆性相。而随着退火温度的升高，强度高但塑性差的马氏体相分解为β相和α相，导致拉伸强度下降，拉伸塑性升高。

表1  板材的室温拉伸性能

Table 1  Room temperature tensile properties of Ti-55 alloy plates

2.2.2  板材的超塑性性能

本研究所采用的超塑性板材轧制工艺中，轧制时成品变形量可达到65%以上，在两相区进行充分的热变形可有效改善变形的不均匀性，保证成品板材中马氏体板条充分破碎，得到细小均匀的等轴组织(见图1)，从而提高板材的超塑性性能。

板材的超塑性拉伸试验数据如表2所列。可以看出，当拉伸应变速率为1.4×10^-3 s^-1，拉伸试验温度在880~920 ℃之间变化时，Ti-55钛合金的伸长率均可超过700%，超塑性成型的最佳温度在910 ℃左右，可获得最高1 120%的超塑性。

表2  板材的超塑性性能

Table 2  Superplastic properties of Ti-55 plate

3  结论

1) 通过调整加工和热处理制度，可以得到晶粒细小，组织均匀的Ti-55钛合金超塑性板材，该板材具有良好的室温拉伸强度和塑性。

2) 当拉伸应变速率为1.4×10^-3 s^-1，拉伸试验温度在880~920 ℃之间变化时，Ti-55钛合金板材的超塑性性能均可超过700%。

REFERENCES

[1] WISBEY A, KEARNS M W, PARTRIDGE P G. Superplastic deformation in Ti alloy IMI 834 and alpha-2 titanium aluminide[J]. Mater Lett, 1994, 21: 31-39.

[2] WISBEY A, KEARNS M W, PARTRIDGE P G, BOWEN A W. Superplastic deformation and postformed mechanical properties of high temperature titanium alloy IMI 834[J]. Mater Sci Tech, 1993, 9(11): 987-993.

[3] SALISHCHEV G A, GALEYEV R M, VALIAKHMETOV O R, et al. Development of Ti-6Al-4V sheet with low temperature superplastic properties[J]. J Mater Proc Tech, 2001, 116: 265- 268.

[4] 陈志勇, 王清江, 刘建荣, 等. 焊后热处理对Ti-60钛合金电子束焊接接头显微组织及高温持久性能的影响[J]. 稀有金属材料与工程, 2008, 37(s3): 64-67.
CHEN Zhi-yong, WANG Qing-jiang, LIU Jian-rong, et al. Effect of post-weld heat treatment on microstructure and creep rupture properties of EBW weldment of high temperature titanium alloy Ti-60[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2008, 37(s3): 64-67.

(编辑 何学锋)

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