TA10鈦合金是以鈦元素為基礎(chǔ)，通過添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鉬、鎳元素制成的鈦合金。受鉬、鎳元素影響，TA10鈦合金除了具有密度低、比強(qiáng)度高的特點(diǎn)外，其耐蝕性能也比純鈦更為出色。TA10合金在20世紀(jì)80年代引入我國(guó)時(shí)，憑借著其優(yōu)異的性能，成為了我國(guó)艦船用鈦及鈦合金體系中重要的組成部分[1−2]。根據(jù)我國(guó)GB/T26723—2011《冷軋鈦帶卷》標(biāo)準(zhǔn)，TA10鈦合金的性能按照應(yīng)用場(chǎng)景劃分為A、B兩類：A類專攻“高強(qiáng)耐蝕”領(lǐng)域，適用于船舶結(jié)構(gòu)、化工反應(yīng)器等需長(zhǎng)期承壓的耐蝕部件；B類則主打“柔性加工”方向，服務(wù)于爆炸復(fù)合板、精密盤管等需二次塑性成型的復(fù)雜構(gòu)件，其優(yōu)異的延展性為后續(xù)加工提供關(guān)鍵保障。

隨著國(guó)內(nèi)制造業(yè)水平的不斷提升，高端耐蝕材料的標(biāo)準(zhǔn)也逐步升級(jí)。在一些關(guān)鍵性領(lǐng)域，材料除了要具備優(yōu)秀的耐蝕性能外，還需具備輕量化的特點(diǎn)[3−4]，TA10鈦合金因此成為研究的焦點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域從單一的艦船領(lǐng)域，向海洋、氯堿、化工等領(lǐng)域延伸，市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，需求不斷提升。由于TA10鈦合金前期的使用方向較為單一，對(duì)GB/T26723—2011規(guī)定的A、B類性能的研究也相對(duì)較少，隨著產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的增加，表現(xiàn)出產(chǎn)品性能穩(wěn)定性差的情況。為改善此種情況，對(duì)TA10鈦合金的成分和退火溫度開展分析研究，從而滿足不同領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品的性能需求。

1、實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)流程說明

將2種不同化學(xué)成分的鑄錠，在同等工藝條件下鍛造成板坯，銑面后采用相同的熱軋、退火和冷軋工序產(chǎn)出1.5mm冷軋帶卷。在帶卷的頭尾1/4位置，分別進(jìn)行橫、縱向試樣取樣，取樣后在箱式電阻爐進(jìn)行退火。利用金相顯微鏡和萬能試驗(yàn)機(jī)，測(cè)定材料的組織、性能狀態(tài)，鑄錠的制備實(shí)驗(yàn)工藝流程見圖1。

鑄錠成分控制

選用2種配料工藝，第一種（SY-01）采用0級(jí)海綿鈦+鈦鉬中間合金+鎳配料，第二種（SY-02）采用0級(jí)海綿鈦+鈦鉬中間合金+二氧化鈦配料，經(jīng)過真空自耗爐熔煉后，獲得2種含有不同氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鑄錠（見表1）。

表1 TA10鈦合金鑄錠化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

單位：%

試驗(yàn)編號(hào)	Fe	O	N	H	C	Mn	Ni
SY-01	0.032	0.05	0.008	0.001	0.0092	0.26	0.82
SY-02	0.030	0.12	0.008	0.001	0.0093	0.26	0.82

實(shí)驗(yàn)退火及性能檢測(cè)

試樣的取樣位置為帶卷頭部1/4和帶卷尾部1/4各取1根橫向（RD）試樣和1根縱向（TD）試樣，將取得的4根試樣定義為一個(gè)試樣組。取同一試樣組的橫、縱向試樣力學(xué)性能的平均值，用于數(shù)據(jù)分析，以減小因取樣位置導(dǎo)致的數(shù)據(jù)誤差。本實(shí)驗(yàn)共取8個(gè)試樣組，第一組試樣檢測(cè)冷加工態(tài)力學(xué)性能和金相組織，另7組試樣分別在箱式電阻爐進(jìn)行550、600、640、680、720、760及800℃保溫隨后空冷1h的退火處理，試樣出爐后，使用萬能試驗(yàn)機(jī)和金相顯微鏡，檢測(cè)其力學(xué)性能和金相組織。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)編號(hào)為SY-01（后續(xù)簡(jiǎn)稱低氧）和SY-02（后續(xù)簡(jiǎn)稱高氧）的1.5mm冷軋?jiān)嚇樱�進(jìn)行冷加工態(tài)和不同溫度退火態(tài)的力學(xué)性能和顯微組織檢測(cè)，獲得力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表2所示，其顯微組織照片如圖2、圖3所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，2個(gè)編號(hào)的試樣隨著退火溫度的提升，材料內(nèi)部的組織狀態(tài)變化規(guī)律一致，α+β相由條狀逐漸變?yōu)榍驙睿�最后生成塊狀α+β相。抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率的變化趨勢(shì)基本一致，但數(shù)值上存在差距。

表2 2種不同含氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)的TA10在不同退火溫度下的性能

退火溫度	方向	SY-01				SY-02
		抗拉強(qiáng)度 /MPa	屈服強(qiáng)度 /MPa	延伸率 /%	備注	抗拉強(qiáng)度 /MPa	屈服強(qiáng)度 /MPa	延伸率 /%	備注
冷加工態(tài)	RD	799	727	12	不合	842	785	9	不合
	TD	717	657	13	-	764	702	9.5	-
550 ℃	RD	680	620	18.5	A 合格	695	623	17	不合
	TD	598	524	19.5	-	608	532	17.5	-
600 ℃	RD	585	520	19.5	A 合格	584	518	18.5	A 合格
	TD	525	425	22	-	526	405	20	-
640 ℃	RD	535	478	29	B 合格	555	489	21.5	A 合格
	TD	484	378
680 ℃	RD	445	384	36	B 合格	505	461	24.5	A 合格
	TD	467	305	38.5	-	489	364	25	-
720 ℃	RD	447	382	28.5	B 合格	504	457	21.5	A 合格
	TD	468	304	29	-	488	363	22	-
760 ℃	RD	446	378	21	不合	506	459	19	A 合格
	TD	466	304	22.5	-	489	366	20	-
800 ℃	RD	444	380	17	不合	508	462	16.5	不合
	TD	468	302	19	-	492	365	17	-
A 類性能標(biāo)準(zhǔn) *	RD&TD	≥ 485	≥ 345	≥ 18	-	≥ 485	≥ 345	≥ 18	-
B 類性能標(biāo)準(zhǔn) *	RD&TD	≥ 345	≥ 275	≥ 25	-	≥ 345	≥ 275	≥ 25	-

 

退火溫度對(duì)材料性能的影響

根據(jù)圖2和圖3分析可知，冷加工態(tài)下受冷變形影響，熱軋退火組織得到充分破碎獲得針狀的α+β組織，見圖2(a)、3(a)，高氧TA10和低氧TA10均為明顯的加工組織，晶粒具有明顯的取向性，分布呈現(xiàn)加工流線，受加工硬化的影響，冷加工態(tài)下的TA10強(qiáng)度最高。在550~640℃退火狀態(tài)下，隨著溫度的提升，晶粒由針狀α+β組織向條狀α+β組織轉(zhuǎn)變，其形貌如圖2(b)~2(d)和圖3(b)~3(d)所示。晶粒變得飽滿，單位體積內(nèi)晶界數(shù)量降低，材料強(qiáng)度降低。當(dāng)退火溫度提升至680℃時(shí)，晶粒由條狀α+β轉(zhuǎn)向變球狀α+β轉(zhuǎn)變，見圖2(e)和圖3(e)，隨著溫度的提升，材料發(fā)生再結(jié)晶，組織轉(zhuǎn)變?yōu)閹缀涡螤钜?guī)則的多邊形晶界，小角度晶界減少，大角度晶界增加，最后完全變成等軸晶。隨著方向性和位錯(cuò)的減弱，晶粒滑移系增加，此階段材料的強(qiáng)度幾乎不再變化，延伸率顯著提升。隨著溫度的繼續(xù)升高，退火溫度達(dá)到720~800℃時(shí)，晶粒出現(xiàn)異常長(zhǎng)大，見圖2(f)~2(h)和圖3(f)~3(h)，組織內(nèi)部出現(xiàn)大塊無序α+β組織。由于大塊和無序α+β的產(chǎn)生，內(nèi)部組織缺陷增多，致使晶粒的滑移受阻，延伸率下降。將數(shù)據(jù)繪制成曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著退火溫度的提升，TA10鈦合金的抗拉強(qiáng)度，呈先下降后平穩(wěn)的變化趨勢(shì)，延伸率呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，如圖4所示。TA10鈦合金在680℃再結(jié)晶效果最好，延伸率達(dá)到最大值，當(dāng)溫度超過750℃后，晶粒異常長(zhǎng)大，延伸性能顯著下降。

含氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)材料性能的影響

從圖2和圖3可以看出，隨著退火溫度的提升，高氧TA10和低氧TA10的內(nèi)部組織變化規(guī)律基本一致，但在其強(qiáng)度和延伸率的變化規(guī)律上存在差異（見圖4）。高氧TA10在強(qiáng)度方面明顯優(yōu)于低氧TA10，但在延伸率上低氧TA10卻顯著高于高氧TA10。這是由于氧元素在鈦合金中屬于間隙雜質(zhì)元素，氧元素增加導(dǎo)致固溶于α鈦中的間隙式固溶體增加，造成合金性能的強(qiáng)化，致使合金強(qiáng)度提高，塑性降低。對(duì)照GB/T26723—2011標(biāo)準(zhǔn)中A、B類性能指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的情況下，隨著退火溫度的提升，材料的性能出現(xiàn)了A、B類性能轉(zhuǎn)化情況，這是由于在550~600℃退火溫度下，材料未進(jìn)行再結(jié)晶只進(jìn)行了回復(fù)，內(nèi)部缺陷未完全消除，導(dǎo)致其強(qiáng)度較高，因此滿足A類性能指標(biāo)。但此時(shí)的材料處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)，后續(xù)進(jìn)行熱加工，可能會(huì)產(chǎn)生性能的變化。隨著退火溫度提升至680~720℃，材料開始進(jìn)行再結(jié)晶，組織狀態(tài)由非穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉�(wěn)定態(tài)，此時(shí)材料的性能可滿足B類指標(biāo)，但強(qiáng)度達(dá)不到A類指標(biāo)要求。在氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.12%的情況下，受間隙元素影響，即便在完全再結(jié)晶狀態(tài)下，材料的延伸率也無法達(dá)到25%。因此，此成分區(qū)間的材料，僅能滿足A類性能指標(biāo)，不滿足B類性能指標(biāo)。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，雜質(zhì)元素含量是影響TA10鈦合金A、B類性能的關(guān)鍵控制點(diǎn)。

結(jié)束語

(1)退火溫度在550~800℃時(shí)，隨著退火溫度的升高，材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，呈先下降后平穩(wěn)變化趨勢(shì)，延伸率呈先升高后降低的拋物線變化趨勢(shì)；

(2)TA10鈦合金的熱處理溫度，在680℃可獲得良好的等軸晶粒，且無晶粒異常長(zhǎng)大現(xiàn)象，此退火溫度下材料的機(jī)械性能最優(yōu)；

(3)氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)是控制TA10鈦合金A、B類性能的關(guān)鍵控制點(diǎn)，氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的TA10鈦合金冷軋帶，通過調(diào)整退火溫度，可獲得國(guó)標(biāo)GB/T26723—2011中穩(wěn)定的B類性能，也可獲得不穩(wěn)定狀態(tài)的A類性能。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.12%的TA10鈦合金冷軋帶，通過調(diào)整退火溫度，可獲得國(guó)標(biāo)GB/T26723—2011中穩(wěn)定的A類性能，不能獲得B類性能。

參考文獻(xiàn)

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[3]宋西平.鈦合金在汽車零件上的應(yīng)用現(xiàn)狀及研發(fā)趨勢(shì).鈦工業(yè)進(jìn)展，2007(5)：9

[4]白志剛.鈦合金產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)分析和發(fā)展趨勢(shì).中小企業(yè)管理與科技(下旬刊)，2014(7)：151

作者簡(jiǎn)介：曲家東（1990—），男，遼寧省沈陽人，從事生產(chǎn)技術(shù)管理，2013年畢業(yè)于遼寧科技大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)，主要研究方向：鈦及鈦合金冷、熱軋板卷技術(shù)質(zhì)量工作，發(fā)表實(shí)用新型專利3項(xiàng)，獲得遼寧省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，編制企業(yè)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)、工藝規(guī)程、工序質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)質(zhì)量文件多項(xiàng)。通信地址：遼寧省沈陽市蘇家屯區(qū)桂花街358號(hào)，E-mail：windowsqjd@outlook.com。

（注，原文標(biāo)題：TA10鈦合金性能調(diào)控的秘密：氧含量與退火溫度如何決定材料“性格”？）

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tag標(biāo)簽:TA10鈦合金,退火溫度,氧含量,核心控制點(diǎn)

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