面向艦船工程高強耐蝕需求的TA5鈦合金65mm級軋制厚板熱處理工藝深度解析：退火溫度梯度驅動下的α相動態再結晶演變對室溫沖擊吸收能非線性躍升及準解理向全韌窩聚合型延性斷裂形貌轉變的跨尺度調控機制

引言

鈦及其合金具有比強度高、耐熱和耐蝕性好等特點，被廣泛應用于航空航天、化工、海洋工程等領域。TA5鈦合金是α相鈦合金，名義成分為Ti-4Al-0.005B,強度中等，塑性較差，但焊接性能和抗蝕性能優良，被廣泛應用于船舶制造領域。

隨著我國造船工業的不斷發展，TA5鈦合金板材的用量不斷增加，性能要求也不斷提高。目前，對TA5鈦合金的研究主要集中在棒材和鍛件的加工與熱處理工藝方面，對寬厚板熱處理工藝的研究較少。本文對TA5鈦合金板進行不同溫度的退火處理，研究退火溫度對TA5鈦合金板室溫沖擊性能和沖擊斷口形貌的影響。

1、試驗材料及方法

1.1試驗材料

試驗用材料為3次真空自耗電弧爐熔煉 Φ720 mmTA5鈦合金鑄錠,其化學成分(質量分數)如下:Al為4.4%~4.5%,B為0.004%~0.005%,Fe為0.23%~0.24%,O為0.11%~0.13%,C為0.006%~0.007%,H<0.001%。鑄錠在Tβ以上溫度經多火次開坯、鐓拔和鍛造成厚350mm板坯,再在Tβ以下溫度一次軋制成65mmx2300mmxL板材,顯微組織為拉長與扭曲狀α相和少量細小等軸狀α相,如圖1所示。

1.2退火工藝

采用6種溫度對TA5鈦合金板進行退火處理，結果見表1。

表1退火工藝

1.3性能檢測

退火后按GJB944A2018《艦船用鈦及鈦合金板材規范》要求制備沖擊試樣，在擺錘式沖擊試驗機上進行沖擊試驗;采用JSM-IT700HR掃描電子顯微鏡檢驗沖擊斷口形貌。

2、結果與分析

2.1退火溫度對沖擊性能的影響

不同退火溫度TA5鈦合金板沖擊性能見表2，沖擊吸收能量隨退火溫度的變化如圖2所示。由表2和圖2可知,板材的室溫沖擊性能隨退火溫度的升高而提高，在800℃以上溫度退火的板材沖擊性能提高較明顯,950℃退火的板材沖擊性能最好。這是因為隨著再結晶程度的增大, α相晶粒尺寸對板材沖擊性能的影響更顯著。

表2 不同溫度退火的TA5鈦合金板的沖擊性能

2.2退火溫度對沖擊斷口形貌的影響

不同溫度退火的TA5鈦合金板沖擊試樣斷口的宏觀和微觀形貌如圖3、圖4所示。由圖3可知，沖擊斷口可分為纖維區、放射區和剪切唇3部分，700和750℃退火的板材斷口兩側有較大剪切唇，上部和下部存在較小的纖維區，中間放射區較大，說明沖擊試驗過程中材料在彈性變形后缺口部位發生微小的塑性變形，而后形成裂紋并擴展成較小的纖維區。裂紋擴展到一定深度時發生平面應變，且裂紋達到臨界尺寸后快速擴展形成放射區。800和850℃退火的板材沖擊斷口兩側剪切唇減小，而下部二次纖維區逐漸增大。這是由于在該溫度退火使材料完全再結晶，塑性和韌性提高，當裂紋擴展至切口以外接近試樣表面時，因位錯易滑移形成二次纖維區。900和950℃退火的板材斷口兩側剪切唇進一步減小，中部放射區面積減小，下部二次纖維區顯著增大。

由圖4可知,700~850℃退火的TA5鈦合金板斷口為準解理+韌窩的混合斷口,在準解理面的斷裂區存在大量撕裂棱和變形韌窩;隨著退火溫度的提高，韌窩在塑性變形階段擴大且深度增加，斷口起伏增大，撕裂棱更明顯。900~950℃退火的板材沖擊斷口有大量韌窩,且韌窩較深,韌窩周圍存在非常明顯的較薄的撕裂棱,展現出典型的韌窩聚合型延性斷裂特征,韌窩尺寸越大,在形成韌窩的過程中發生的塑性變形越大，斷裂吸收的能量越多，韌性越好,因此其沖擊性能越好。

3、結論

(1)厚65mmTA5鈦合金板沖擊性能隨著退火溫度的升高明顯提高，在800℃以上溫度退火的板材沖擊性能提高更明顯,950℃退火的板材沖擊性能最佳。

(2)700~850℃退火的TA5鈦合金板沖擊斷口為準解理+韌窩的混合斷口,準解理面的斷裂區存在大量撕裂棱和變形韌窩;900~950℃退火的板材，其韌窩在塑性變形階段被充分擴大和加深,展現出典型的韌窩聚合型延性斷裂特征。

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（注，原文標題：退火溫度對TA5鈦合金板沖擊性能和沖擊斷口形貌的影響_胡蕾）