航空化工GR5鈦合金板塑性降低的原因分析

GR5是典型的α+β型鈦合金，是由美國(guó)的Illinois技術(shù)研究所于20世紀(jì)50年代開發(fā)出來的，是最早生產(chǎn)的鈦合金之一。由于GR5鈦合金具有良好的綜合性能，可以廣泛應(yīng)用于航空、航天、化工、電力、醫(yī)療等領(lǐng)域，目前在使用的鈦合金中占比超過50%。金屬材料拉伸斷后伸長(zhǎng)率是衡量材料塑性的一個(gè)重要指標(biāo)，某厚度為1.6mm的退火態(tài)GR5鈦合金板進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試，結(jié)果如表1所示，其屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度均滿足ASTMB265-13的要求，但斷后伸長(zhǎng)率明顯低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

為了分析其塑性降低的原因，對(duì)該GR5鈦合金板的化學(xué)成分、顯微硬度及微觀組織形貌進(jìn)行了分析。

1、理化檢驗(yàn)

1.1化學(xué)成分分析

從GR5鈦合金板上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2。從化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果可知，該GR5鈦合金板的化學(xué)成分除氫元素外，其余元素含量均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，而氫元素含量比標(biāo)準(zhǔn)值高0.002，超出標(biāo)準(zhǔn)值13.33%。

1.2顯微硬度測(cè)試

GR5鈦合金板經(jīng)打磨拋光后在401MVD型顯微硬度測(cè)試，試驗(yàn)載荷1.96N,加載時(shí)間30s。測(cè)試時(shí)沿試樣厚度方向移動(dòng)，每間隔約0.11mm測(cè)試一次，測(cè)試位置如圖1所示，測(cè)試結(jié)果見表3。由表3可知，該GR5鈦合金板靠近上下表面的硬度較高，靠近中心部位硬度逐漸降低。

1.3金相檢驗(yàn)

GR5鈦合金板經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后在GX51型光學(xué)顯微鏡下觀察其顯顯微組織.結(jié)果如圖2所示。可見其顯微組織為α+β兩相區(qū)加工形成的良好彌散的組織，無完整原始β晶界上連續(xù)的網(wǎng)狀α，無粗大拉長(zhǎng)的片狀α，組織類型為等軸α，微觀組織結(jié)構(gòu)未見異常。

1.4掃描電鏡檢驗(yàn)

對(duì)GR5鈦合金板在掃描電鏡（SEM）下進(jìn)行觀察.結(jié)果如圖3所示，可觀察到該鈦合金板由表及里的微觀形貌未見差異。

對(duì)圖3所示區(qū)域有表及里對(duì)鈦、鋁、釩、氧4種元素進(jìn)行能譜掃描（EDS），結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出試樣中的鈦、釩2種主要元素的含量未見異常，但氧元素含量在接近表面處有明顯超高的現(xiàn)象存在，而釩元素含量則表現(xiàn)出降低。

2、綜合分析

化學(xué)成分分析結(jié)果表明，GR5鈦合金板的氫元素含量超過標(biāo)準(zhǔn)值規(guī)定。適量的氫可以改善鈦合金的熱加工性能，但如果含量超過標(biāo)準(zhǔn)GR5合金會(huì)表現(xiàn)出低應(yīng)變脆性敏感性，使材料表現(xiàn)出一定的氫脆，導(dǎo)致材料塑性降低。這是因?yàn)闅湓阝佒械臄U(kuò)散速度很快，它會(huì)與鈦形成一種β共晶系，降低材料塑性。這與GR5鈦合金板氫含量超標(biāo)，而室溫拉伸性能的斷后伸長(zhǎng)率低于標(biāo)準(zhǔn)值的表現(xiàn)是一致的。鈦合金中合理的氫來源主要有3個(gè)：不合適的酸洗處理和化學(xué)銑削，在過高的溫度下與氫接觸的環(huán)境中使用鈦。該材料還未加工成型使用，因此其中的氫來源應(yīng)該屬于前兩種，但由于其工藝流程不可控，無法明確是酸洗還是化學(xué)銑削造成的。此外式樣的金相及掃描電鏡觀察均為發(fā)現(xiàn)異常組織結(jié)構(gòu)存在，但硬度測(cè)試卻發(fā)現(xiàn)兩表面硬度偏高，同時(shí)能譜掃描也發(fā)現(xiàn)試樣表面氧含量超高，說明氧元素在試樣表面存在富集偏集，表現(xiàn)為氧元素含量超高，而鋁元素含量降低，最終導(dǎo)致鈦合金延伸率、斷面收縮率降低，硬度增高。

3、結(jié)論

GR5鈦合金板中氫元素含量超出了標(biāo)準(zhǔn)，使得材料表現(xiàn)出一定程度的氫脆，導(dǎo)致材料的塑性出現(xiàn)降低。此外，鈦合金板表面氧元素存在富集偏集現(xiàn)象。