退火温度对TA4钛带组织及性能的影响

摘 要：为了研究不同退火温度对TA4钛带组织和性能的影响，选取二次熔炼铸锭，经开坯、锻造、轧制后得到钛带，在同一卷钛带上取样进行不同的退火温度实验，并对TA4样片退火后的显微组织、拉伸性能和硬度进行测试。结果表明：TA4带材随着随着退火温度的升高，显微组织形态及尺寸变化较大，再结晶晶粒数量随之增多，抗拉强度、屈服强度和硬度逐渐降低，弹性模量变化不是很明显，当温度达到550℃时抗拉强度、屈服强度和硬度开始缓慢下降，塑性提高，平面度较好，可以满足工艺要求。为了获得综合性能良好的TA4带材，最佳的退火工艺是550℃×3h，炉冷。

关键词：TA4钛带；显微组织；力学性能；平面度 中图分类号： 文献标志码： 文章编号：

Effect of annealing temperature on Microstructure and properties

of TA4 titanium strip

Li Xiaofei, Wang Peijun, Yang Baolin, Han Weisong, Liu Yi, Duan

Peng

(Ningxia NFC Jinhang Titanium Industry Co., Ltd., Shizuishan

753000, China)

Abstract:In order to study the effects of different annealing temperatures on the microstructure and properties of TA4 titanium strip, the secondary smelting ingot was selected, and the titanium strip was obtained after billet opening, forging and rolling. Samples were taken on the same roll of titanium strip for different annealing temperature experiments, and the microstructure, tensile properties and hardness of TA4 samples after vacuum annealing were tested. The

results show that with the increase of annealing temperature, the microstructure and size of TA4 strip change greatly, the number of recrystallized grains increases, the tensile strength, yield strength and hardness decrease gradually, and the change of elastic modulus is not very obvious. When the temperature reaches 550 ℃, the tensile strength, yield strength and hardness begin to decrease slowly, the plasticity increases and the flatness is better, It can meet the process requirements. In order to obtain TA4 strip with good comprehensive properties, the best annealing process is 550 ℃ × 3h, furnace cooling.

Key

words:TA4

titanium

strip;

Microstructure;

Mechanical

properties; Flatness

工业纯钛的密度小、冷热加工性能优良、耐腐蚀性能卓越、无磁性，以及良好的生物相容性等优点，在很多行业具有广泛的应用［1-3］。其中TA1-TA2板带材应用比较广泛，主要用于换热器、成形件、飞机蒙皮、核电冷凝器等方面；目前国内外主要对工业纯钛TA1-TA2板带材方面研究较多，但对于工业纯钛TA4 带材研究比较少，工业纯钛TA4 带材生产环境要求高，轧制时变形抗力高、加工硬化快，加工难度大；工业纯钛TA4 带材主要应用于某些高端电子设备精密零部件的基础材料，其不仅对带材力学性能要求较高，而且对带材表面质量要求极其严格［4］。本文通过研究不同退火温度对TA4组织及性能的影响，为满足高端电子精密部件使用的TA4带材选用合理的退火工艺提供参考。

1 实验材料及工艺 1.1材料准备

实验选用主要原料为海绵钛和中间合金制备电极，利用真空自耗电弧炉两次真空熔炼Φ900mm的铸锭。经过锻造、机加、热轧、酸洗、抛磨、冷轧、精轧、退火等工序，最终加工至0.15mm卷带，化学成分见表1。

表1 TA4的化学成分

Table 1 Chemical compositio of TA4 alloy(ω /%)

C N H O

Fe

i

T

GB/T3620.1-2016

<0.08

<0.05

<0.015

<0.40

＜0.50

al

B

1.2试验方法

从成品卷带上切取长200mm钛片100片，各选取20片经过5种不同真空退火实验。沿带材纵向切取样坯，室温拉伸性能按照《GB/T 228-2010 金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》在INSTRON 5582电子万能试验机进行测试，试样为狗骨头形状试样，平行段宽度12.5mm，长度为75mm，标距为50mm，每组测试两个试样，结果取两组平均值。同时，参考《GB/T 5168-2008 α-β钛合金高低倍组织检验方法》标准要求进行金相制备，采用OLYMPUS GX51倒置式金相显微镜进行显微组织的观察，并采用岛津显微硬度计HMV-2T进行硬度测试，每组测试3个数据并求其平均值。本实验真空退火工艺：抽真空到4×10Pa，30min升温至300℃,30分钟升温至目标温度，保温180min，降温至250℃后充入99．999％的高纯氩气作为保护气氛再慢冷至室温（温度误差在+5 ℃之内）， 5种不同真空去应力退火实验方案见表2。

表2 不同退火温度试验方案

-3

No. experimental scheme

a 450℃×3h，FC

b 500℃×3h，FC

c 550℃×3h，FC

d 600℃×3h，FC

e 650℃×3h，FC

2 试验结果及分析

2.1退火温度对TA4带材显微组织的影响

图

（a）Y, (b)450℃，(c)500℃，(d)550℃，(e)600℃，(f)650℃

1 TA4带材不同退火状态的显微组织

图1所示为TA4带材硬态和不同退火状态的显微组织。轧制硬态组织为图1（a），以拉长、纤维状的组织为主。经5种退火温度处理后，图1（b～c）可见，

显微组织从变形不均匀的组织慢慢改善，组织形态及晶粒尺寸变化比较明显；当退火温度为550℃时的显微组织出现再结晶晶粒，但占比较小；观察图1（e），当退火温度为600℃时，晶粒开始长大，再结晶晶粒占比较大。当退火温度继续升高到650℃时，再结晶已基本完成［5］，晶粒长大的更明显。

2.2退火温度对TA4带材力学性能的影响

图2 退火温度对TA4带材性能的影响 图3 退火温度对TA4带材弹性模量和

硬度的影响

由图2可以看出：轧制硬态带材抗拉强度和屈服强度很接近，经过退火后的带材力学性能变化较大，随着退火温度的增加，抗拉强度明显降低，从930Mpa降低至680Mpa；屈服强度也逐渐降低，与晶粒结晶与长大有关；延伸率也随着退火温度的增加大幅提升，从8.5%提高至27%，塑性增加有利于板材压平，平面度趋于稳定。当温度达到550℃时，力学性能和塑性匹配较好，且板材平面度满足工艺要求；当退火温度升高到600℃时抗拉强度和屈服强度下降幅度较大，塑性迅速增加，650℃后趋于稳定，这与纤维组织的再结晶和晶粒长大有关，再结晶趋于饱和、晶粒长大趋于稳定后力学性能同样也趋于稳定。由图3可以看出：随着退火温度的增加，弹性模量略微降低，变化不明显；同时硬度Hv也逐渐降低，当温度达到650℃时，硬度下降趋势减缓，这与晶粒长大趋于稳定有关。

2.3退火温度对TA4带材平面度的影响

图4 退火温度对TA4带材平面度的影响

从图4可以看出，带材的平面度随着温度的升高，平面度由3mm/400cm降低至0.1mm/400cm以下，平面度提升效果明显，平面度越来越好，这与带材塑性增加有关；

综上可以看出：冷轧TA4带材经过不同真空退火处理，450-550℃时显微组织变化不明显，550℃×3h真空退火后开始再结晶，在650℃退火时，再结晶已基本完；钛带的屈服强度下降明显，也就是说冷轧纯钛带迅速软化，给冷轧退火工艺提供了依据［6］；通过不同退火试验，TA4带材的性能明显高于其他工业纯钛，在650℃时抗拉强度保持在689MPa，屈服强度590MPa；从中可以看出在550℃×3h真空退火后可以得到一定强度和塑性以及综合性能较好的TA4带材，平面度也达到了产品的使用要求，各项数据指标符合电子类产品的使用要求；

4 结论

(1) TA4带材随着温度的增加，抗拉强度、屈服强度和硬度逐渐降低，当温度达到550℃时，强度下降明显，温度达到550℃以上时抗拉强度、屈服强度和硬度开始缓慢下降，塑性提高；但弹性模量变化差异不大。

(2) 随着温度的升高，带材平面度越来越小，当温度为550℃时，平面度≤0.3mm/400cm，当温度达到600℃时，平面度保持小于0.1mm/400cm。

(3) 为了获得综合性能良好的TA4带材，最佳的退火工艺是550℃×3h，炉冷。

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