冷变形量及热处理对BTi-421111钛合金薄板组织和性能的影响

朱 晔 ，王 新,2

(1.宝鸡钛业股份有限公司，陕西 宝鸡 721014)(2.宝钛集团有限公司，陕西 宝鸡 721014)

冷变形量及热处理对BTi-421111钛合金薄板组织和性能的影响

朱 晔1，王 新1,2

(1.宝鸡钛业股份有限公司，陕西 宝鸡 721014)(2.宝钛集团有限公司，陕西 宝鸡 721014)

BTi-421111钛合金是一种低成本中强钛合金，通过研究BTi-421111钛合金薄板冷轧变形量、退火温度等工艺参数对室温力学性能和显微组织的影响，探讨了BTi-421111钛合金薄板冷变形特点及组织性能的变化规律，确定了BTi-421111钛合金最佳的退火温度。研究结果表明：BTi-421111钛合金板材具有较好的冷变形能力，合理的变形量为30%左右，此时板材的抗拉强度为1 140 MPa，延伸率为11%，强度-塑性匹配良好；最佳退火温度为780～810 ℃。

BTi-421111钛合金；冷变形量；热处理制度；力学性能；显微组织

0 引 言

BTi-421111钛合金的名义成分为Ti-4Al-2Zr-1Sn-1Mo-1V-1Cr，是我国自主研发的新型低成本中强钛合金。其主要的强化机制是α稳定元素Al的固溶强化和多元复合强化，另外加入了中性元素Zr和Sn以及β相稳定元素Mo、V、Cr，以改善工艺性能[1]。该合金中Al的质量分数为5.7%，Mo的质量分数为3.4%，属于α+β型钛合金，其强度与TC4和TA15钛合金相当，且加工性能优异。

BTi-421111钛合金是高尔夫球杆等民用领域的理想选材，其半成品类型有薄板、锻棒、轧棒等。本实验研究了冷轧变形量、退火温度等工艺参数对BTi-421111钛合金薄板显微组织和室温力学性能的影响，旨在为该合金薄板的工业化批量生产提供技术参考。

1 实 验

实验用BTi-421111钛合金铸锭是经二次真空自耗电弧熔炼得到的，其β转变温度为980～990 ℃，化学成分符合表1中的要求。铸锭经β相区开坯、多火次中间锻造后，最终在α+β相区制备成板坯。板坯在β转变温度以上20～100 ℃热轧开坯，再在β转变温度以下30～100 ℃轧至1.5 mm左右，经过中间退火、酸洗和修磨后，按照5%、10%、15%、20%、30%、40%的变形量冷轧至一定厚度，截取纵向试样在Axiovert 200MAT光学显微镜上观察其显微组织，截取横向试样在Instron 5885拉伸实验机上测试其室温力学性能，并选出力学性能最佳时的冷变形量；采用优选的变形量将板材冷轧至厚度为1.1mm，在720、750、780、810、840 ℃保温30 min后空冷，对退火后板材纵向的显微组织和横向的室温力学性能进行检测，优选出力学性能最佳时的热处理工艺参数。

表1 BTi-421111钛合金铸锭化学成分的要求(w/%)

2 结果与讨论

2.1 冷变形量对薄板组织和性能的影响

图1为BTi-421111钛合金板材经不同变形量冷轧变形后横向的力学性能。从图中可以看出，随着冷轧变形量的增大，板材呈现出明显的加工硬化现象，即强度随着变形量的增大逐渐增大，延伸率随变形量增大逐渐减小。当冷轧变形量增大到40%时，板材的抗拉强度达到1 180 MPa，而延伸率只有9%，此时工艺塑性较差，在板材轧制后的表面上局部有目视可见的裂纹，且边部开裂及头部掉渣的现象严重。而冷变形量为30%时，板材的抗拉强度为1 140 MPa，延伸率为11%。与冷变形量为40%的板材性能相比，变形量为30%的板材的强度与塑性匹配良好，强度降低不明显，但延伸率和工艺加工塑性明显改善，轧后板材表面质量良好。因此，可以判定BTi-421111钛合金板材的极限冷轧变形量为40%，批量生产中该合金的冷轧变形量以30%为宜。

图1 不同变形量冷轧后BTi-421111钛合金板材的力学性能Fig.1 Mechanical properties of BTi-421111 titanium alloy sheets after different cold deformation

图2为热轧态和不同冷轧变形量的BTi-421111钛合金板材的纵向显微组织。

图2 不同变形量冷轧后BTi-421111钛合金板材的显微组织Fig.2 Microstrucures of BTi-421111 titanium alloy sheets after different cold deformation

由图2a可以看出，厚度为1.5 mm的热轧板材的显微组织基本为均匀的α+β转组织，其中等轴α相的含量相对较高，这是因为板材在α+β两相区变形时变形温度合理、变形量充分，且热轧过程是一个动态回复和再结晶的过程，其加工硬化程度不高。冷变形量为10%时的显微组织见图2b，从图2b可以看出，与热轧坯料比较，板材纵向显微组织变化不大，仅是局部的晶粒拉长，这是由于该变形量基本在金属的临界变形量范围内，合金在局部发生了偏聚[2]。从图2c、d和e可以看出，当变形量进一步增大时，显微组织逐渐变为扁平状，并不断拉长，这与其它钛合金的变形有着相同的规律。

2.2 退火温度对薄板组织和性能的影响

冷变形量为30%的BTi-421111钛合金板材经不同温度退火后横向的力学性能如图3所示，纵向的显微组织如图4所示。

图3 不同温度退火后BTi-421111钛合金板材的力学性能Fig.3 Mechanical properties of BTi-421111 titanium alloy sheets annealed at different temperaures

由图3可以看出，冷变形量为30%的BTi-421111钛合金板材在720～840 ℃温度区间退火，当温度不高于780 ℃时，合金的强度变化不大，保持在1 010～1 030 MPa之间；当温度高于780 ℃时，随着退火温度升高，其强度递增趋势明显，在1 010～1 150 MPa，退火温度为840 ℃时，抗拉强度最高。当退火温度为780 ℃时，其延伸率也出现拐点，即呈现先增大后降低的趋势，延伸率总体保持在14%～17.5%；当退火温度为780 ℃时，合金的延伸率最大，可达17.5%。为兼顾合金的综合性能，确定BTi-421111钛合金板材的最佳退火温度为780～810 ℃。在该温度下退火，板材的强度和塑性匹配良好。

由图4a可以看出，冷轧态板材的显微组织为纤维状，其α相为拉长的条状。由图4b～f可见，板材在720～840 ℃温度区间退火后，板材显微组织形貌基本相同，α相和β相比例相当。但随着退火温度的升高，晶粒尺寸逐渐增大，α相的这种长大趋势较β相明显，且α相的形状由条状逐渐向球状转变[3]。这是由于BTi-421111钛合金在这个温度区间主要是α相发生再结晶，且随着退火温度升高，合金的再结晶进行地更加充分。也正是由于这种显微组织的变化引起了合金性能的变化。

图4 不同温度退火后BTi-421111钛合金板材的显微组织Fig.4 Microstrucures of BTi-421111 titanium alloy sheets annealed at different temperatures

3 结 论

(1)BTi-421111钛合金薄板的冷轧变形量应控制在30%左右为宜，此时，冷轧态板材的抗拉强度为1 140 MPa，延伸率为11%，强度-塑性匹配良好。

(2)BTi-421111钛合金薄板合理的退火温度为780～810 ℃，在该温度区间，板材显微组织均为细小的等轴组织，强度和塑性匹配良好。

[1] 高原，徐晋勇，高清，等. 双层辉光离子渗金属技术特点[J]. 中国工程科学, 2008, 10(2): 26-30.

[2] 王金友，葛志明，周彦邦.航空用钛合金[M]. 上海：上海科学技术出版社，1985.

[3] 王小翔，杨伟，王俭，等. 中间β处理对Ti-51111S合金板材组织与性能的影响[C]//中国有色金属学会第十二届材料科学与合金加工学术年会论文集.北京：中国有色金属学会，2007:143-146.

Effects of Cold Deformation and Heat Treatment on Microstructure and Properties of BTi-421111 Titanium Alloy Sheet

Zhu Ye1,Wang Xin1,2

(1.Baoji Titanium Industry Co., Ltd., Baoji 721014, China) (2.Baoti Group Co., Ltd.,Baoji 721014, China)

BTi-421111 is a kind of low-cost and moderate-strength titanium alloy. The effects of cold rolling reduction, annealing temperature on mechanical property and microstructure at room temperature was investigated in this paper. The cold deformation character and the structure evolution law of BTi-421111 titanium alloy sheets have been summarized. It is found that BTi-421111 has the good perfomrance of cold deformation. The reasonable deformation is approx. 30%.The tensile strength is 1 140 MPa and elongation is 11%. The strength and ductility has good match.The optimal heat treatment is 780～810 ℃.

BTi-421111 titanium alloy;cold deformation;heat treatment;mechanical properties;microstructure

2013-06-24

朱晔(1978—)，男，工程师。