文章编号：1004-0609(2010)S1-s1045-05
冷变形及退火参数对 CT20钛合金管材组织和拉伸性能的影响
杜 宇，郭荻子，刘 伟，戚运莲，卢亚峰
(西北有色金属研究院，西安 710016)
摘 要：
研究冷变形程度、冷变形参数Q值和退火温度等变形和热处理参数与CT20钛合金管材拉伸性能的关系，以及CT20钛合金管材的冷加工变形特点和组织性能的变化规律。结果表明：CT20钛合金具有较强的冷变形能力、较宽的退火温度区域，可通过增大Q值来提高管材的屈服强度；选择合适的退火制度，可获得不同的合金组织形貌；等轴组织具有更加优异的室温拉伸性能。
关键词：
中图分类号： 文献标志码：A
Effects of parameters of cold deformation and annealing on microstructure and tensile properties of CT20 alloy tube
DU Yu, GUO Di-zi, LIU Wei, QI Yun-lian, LU Ya-feng
(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016, China)
Abstract: The relationship between the parameters of deformation degree, Q value, annealing temperature and tensile properties of the CT20 alloy tube the variation regularities of deformation characteristic and microstructure were studied. The results show that the alloy has good cold workability, wider annealing temperature range, and the strength of the alloy tube can be improved by increasing of Q value; the different typical microstructure can be obtained by selecting different annealing temperature; the equiaxed microstructure has good tensile properties at room temperature.
Key words: CT20 alloy; cold deformation; annealing; microstructure; tensile property
CT20钛合金属于Ti-Al-Zr-Mo系，是一种近α型中强钛合金，该合金由西北有色金属研究院于20世纪90年代末研制成功。CT20钛合金具有良好的冷、热加工性能，可加工成各种形状的压力加工产品。管材主要用于20 K温度下液氢管路系统，使用环境复杂、条件苛刻，要求管材具有良好的室温、低温性能，工艺性能和焊接性能。根据该合金的特点，采用钻孔挤压制备管坯，多辊多道次冷轧的方法制备管材，对管材冷加工率、冷变形参数Q值和退火温度与组织性能的关系进行了研究，为CT20钛合金管材的冷加工工艺和热处理制度的优化提供支持。
1 实验
CT20钛合金铸锭经真空自耗电弧3次熔炼而成，锻造后经钻孔挤压加工成轧制用管坯。挤压管坯经开坯和多道次冷轧、表面处理以及退火后加工成管材，加工率＜70%，变形参数Q为3~6，中间道次退火温度为750 ℃。
CT20合金铸锭杂质及其含量分别为(质量分数)：Fe 0.03，C 0.02，N 0.012，O 0.08，H 0.002。合金的α+β?β转变温度为(930±5) ℃。
实验选用CT20合金d 35 mm×1.5 mm冷轧管材进行退火实验。采用如表1所示的5种退火制度。退火后沿管材轴向切取标距宽15 mm，长25 mm的室温拉伸试样。在ZWICK150拉伸机上测试室温拉伸性能；用OLYMPUSPMG3金相显微镜观察合金的显微组织。
表1 CT20合金的退火制度
Table 1 Heat treatment of CT20 alloy
2 结果与讨论
冷变形程度对管材拉伸性能的影响如图1所示。
图1 不同变形量对管材性能的影响
Fig.1 Effect of deforamtion amount on properties of CT20 alloy tube
由图1可见，随着应变量的增加，管材断裂强度和屈服强度上升，塑形下降；冷变形初始阶段材料硬化很快，塑形下降剧烈，变形量大于30%以后，塑形下降变缓，变形量达到55%，强度在900MPa以上时，管材伸长率在8%以上，变形量达到70%，强度在950 MPa以上时，管材伸长率在6%左右，并出现开裂。此外，随着变形程度的增加，合金管材的屈服强度更接近断裂强度[1-2]。
Q值(相对减壁量与相对减径量的比值)是间接描述管材形变织构的一个参数[3]，其值大小对管材拉伸性能有一定影响，管材拉伸性能与Q值的对应关系如图2所示。
图2 管材Q值与性能关系曲线
Fig.2 Relationship between Q value and properties of CT20 alloy tube (ε=30%)
从图2可知，Q值在3~6区间内时，管材断裂强度无明显变化，屈服强度随Q值的增加提高了100 MPa左右，Q值的变化对合金管材塑性影响不大。
由于近α钛合金与α钛合金具有相似的相变特点，决定了其热处理强化效应较弱，一般不采用固溶和时效处理，主要采用完全退火处理。退火温度与管材组织的关系如图3所示。
由图3可见，合金不同温度退火后得到的显微组织差别明显。 在750 ℃时退火得到细小的等轴组织，细小晶粒的晶界不明显；在800和 850 ℃时退火得到晶界清晰的等轴组织，平均晶粒大小为6 μm；在900℃时退火时得到平均晶粒大小为8 μm的等轴组织，等轴组织中可见少量的片状α(β转变组织)；在950 ℃时退火后，合金发生了α+β?β转变，组织形貌由等轴组织完全转变为具有片状α的片状组织，平均晶粒长大到了250 μm。在900 ℃温度时退火处理，合金晶粒尺寸随退火温度升高长大缓慢，在相变点温度以上退火后合金晶粒长大迅速，组织形貌完全改变。
退火温度与管材拉伸性能关系如图4所示。从图4可见：合金管材在750~900 ℃时退火，随着退火温度的升高，管材强度和伸长率下降比较缓慢，并趋于
图3 退火温度对管材组织的影响
Fig.3 Effect of annealing temperature on microstructure of CT20 alloy tube: (a) 750℃; (b) 800 ℃; (c) 850 ℃; (d) 900 ℃; (e) 950 ℃ (ε=30%)
图4 退火温度对拉伸性能的影响
Fig.4 Effect of annealing temperature on tensile properties of CT20 alloy tube (ε= 30%)
稳定；在950 ℃时退火，由于合金发生相变，组织由等轴完全转变为片状，且晶粒过分粗大，造成了合金管材强度、塑性下降明显[4]。
合金室温拉伸时试样宏观断口起伏较大，表明材料具有较高的塑性。室温拉伸断口微观形貌如图5所示。由图5可知，合金断口均为延性韧窝断裂。合金为等轴组织时韧窩大小及分布较均匀，如图5(b)所示。由图5(d)可见，随着片状α相的增多变大，韧窩变深，尺寸变大，留下较大的撕裂脊。
室温拉伸时，试样工作带内所有晶粒普遍发生滑移应变，应变—硬化连续进行，最终在工作带某处产生颈缩而发生断裂；具有细等轴组织的试样断口侧面比较光滑，在拉伸方向有明显的应变痕迹，具有片状
图5 室温拉伸断口微观形貌
Fig.5 Tensile fractographs of CT20 alloy with various microstructures at room temperature
组织的试样断口侧面出现橘皮状褶皱，并伴有细小裂纹出现。具有等轴组织的管材试样断口韧窩分布均匀，属于典型的韧性断裂；具有片状组织的管材试样断口也具有韧性断裂特征，但出现了较大面积的剪切带和粗大的空洞。这是因为，等轴α相的存在增强了抗裂纹萌生的能力，提高了合金变形协调能力。片状组织中裂纹延α片集束扩展时，因每个集束的取向不同，使裂纹扩展至集束边界后会受到不同取向集束的阻碍，在界面上容易产生空洞，这种空洞受应力集中的作用在较低的应变下就会达到临界尺寸，表现为其塑性比等轴组织的塑性相对偏低[5-6]。
3 结论
1) CT20钛合金冷加工管材可实现较大冷轧变形量的生产；CT20钛合金退火温度范围宽，组织和力学稳定性好，增大Q值可提高合金的屈服强度。
2) 不同温度退火时合金组织变化显著，在高于合金α+β?β转变点退火时得到粗大的片状组织；CT20合金在750 ℃以上退火时，室温拉伸性能随着温度的升到逐渐降低，在相变点以上温度退火时，室温拉伸性能最差。
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(编辑 刘华森)
基金项目：国家科技支撑计划资助项目(2007BAE07B01，2007BAE07B03)；国家高技术研究发展计划资助项目(2007CB613807，2006CB601202)
通信作者：杜 宇，高级工程师；电话：029-86231078；传真：029-86360416；E-mail: duyu@c-nin.com
