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，是由美國的Illinois技術研究所于20世紀50年代開發出來的，是最早生產的鈦合金之一。由于GR5鈦合金具有良好的綜合性能，可以廣泛應用于航空、航天、化工、電力、醫療等領域，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率是衡量材料塑性的一個重要指標，某厚度為1.6mm的退火態GR5鈦合金板進行室溫拉伸性能測試，結果如表1所示，其屈服強度及抗拉強度均滿足ASTMB265-13的要求，但斷后伸長率明顯低于標準要求。

為了分析其塑性降低的原因，對該GR5鈦合金板的化學成分、顯微硬度及微觀組織形貌進行了分析。

1、理化檢驗

1.1化學成分分析

從GR5鈦合金板上取樣進行化學成分分析，結果見表2。從化學成分檢驗結果可知，該GR5鈦合金板的化學成分除氫元素外，其余元素含量均在標準范圍內，而氫元素含量比標準值高0.002，超出標準值13.33%。

1.2顯微硬度測試

GR5鈦合金板經打磨拋光后在401MVD型顯微硬度測試，試驗載荷1.96N,加載時間30s。測試時沿試樣厚度方向移動，每間隔約0.11mm測試一次，測試位置如圖1所示，測試結果見表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

GR5鈦合金板經打磨、拋光、腐蝕后在GX51型光學顯微鏡下觀察其顯顯微組織.結果如圖2所示。可見其顯微組織為α+β兩相區加工形成的良好彌散的組織，無完整原始β晶界上連續的網狀α，無粗大拉長的片狀α，組織類型為等軸α，微觀組織結構未見異常。

1.4掃描電鏡檢驗

對GR5鈦合金板在掃描電鏡（SEM）下進行觀察.結果如圖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。

對圖3所示區域有表及里對鈦、鋁、釩、氧4種元素進行能譜掃描（EDS），結果如圖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象存在，而釩元素含量則表現出降低。

2、綜合分析

化學成分分析結果表明，GR5鈦合金板的氫元素含量超過標準值規定。適量的氫可以改善鈦合金的熱加工性能，但如果含量超過標準GR5合金會表現出低應變脆性敏感性，使材料表現出一定的氫脆，導致材料塑性降低。這是因為氫在鈦中的擴散速度很快，它會與鈦形成一種β共晶系，降低材料塑性。這與GR5鈦合金板氫含量超標，而室溫拉伸性能的斷后伸長率低于標準值的表現是一致的。鈦合金中合理的氫來源主要有3個：不合適的酸洗處理和化學銑削，在過高的溫度下與氫接觸的環境中使用鈦。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銑削造成的。此外式樣的金相及掃描電鏡觀察均為發現異常組織結構存在，但硬度測試卻發現兩表面硬度偏高，同時能譜掃描也發現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，表現為氧元素含量超高，而鋁元素含量降低，最終導致鈦合金延伸率、斷面收縮率降低，硬度增高。

3、結論

GR5鈦合金板中氫元素含量超出了標準，使得材料表現出一定程度的氫脆，導致材料的塑性出現降低。此外，鈦合金板表面氧元素存在富集偏集現象。