李思蘭，侯智敏，尹雁飛，張鵬省，毛小南

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

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熱處理對(duì)熱加工態(tài)TB2鈦合金顯微組織及力學(xué)性能的影響

李思蘭，侯智敏，尹雁飛，張鵬省，毛小南

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

研究了常規(guī)固溶+時(shí)效、雙時(shí)效及固溶+預(yù)時(shí)效+時(shí)效處理對(duì)熱加工態(tài)TB2鈦合金顯微組織及力學(xué)性能的影響。顯微組織研究表明：通過增加低溫預(yù)時(shí)效工藝，可以使經(jīng)熱處理后的TB2鈦合金中析出的次生α相較經(jīng)常規(guī)固溶+時(shí)效處理后的更加均勻、細(xì)小。力學(xué)性能分析表明：經(jīng)常規(guī)固溶+時(shí)效處理后，TB2鈦合金的塑性較好，但強(qiáng)度偏低；雙時(shí)效處理可以提高TB2鈦合金的強(qiáng)度，但塑性較差；固溶+預(yù)時(shí)效+時(shí)效處理后，TB2鈦合金的強(qiáng)度與塑性匹配良好。進(jìn)一步熱處理工藝研究表明：經(jīng)780 ℃×1 h/AC+350 ℃×6 h/AC+560 ℃×8 h/AC熱處理后，TB2鈦合金的強(qiáng)度與塑性達(dá)到最優(yōu)匹配，抗拉強(qiáng)度為1 190 MPa，延伸率為14%。

TB2鈦合金；熱處理；預(yù)時(shí)效；顯微組織；力學(xué)性能

0 引 言

TB2鈦合金(Ti-3Al-5Mo-5V-8Cr)是一種亞穩(wěn)β型鈦合金，具有冷成形性好、時(shí)效強(qiáng)度和斷裂韌性高、耐蝕性好、300 ℃下熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，常被制成航天航空用鉚釘、螺釘、螺栓等緊固件[1-4]，以及超速離心機(jī)轉(zhuǎn)頭、彈性元件、固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等零部件[5-6]。由于TB2鈦合金中β穩(wěn)定元素含量較高，具有良好的熱處理強(qiáng)化效果，因此熱處理工藝對(duì)該合金顯微組織及力學(xué)性能的影響一直是研究的熱點(diǎn)[7-10]。楊文甲[11]、羅斌莉[12]分別對(duì)TB2鈦合金冷軋板材及絲材進(jìn)行了熱處理研究。張翥[13]對(duì)1.5 mm冷軋TB2鈦合金板材進(jìn)行了不同工藝的熱處理研究。他們都認(rèn)為亞穩(wěn)β相分解前形成的α穩(wěn)定元素偏聚區(qū)是時(shí)效時(shí)α相的形核核心，可以通過預(yù)時(shí)效來改善亞穩(wěn)β相分解時(shí)α相的非均勻析出，從而提高合金的綜合性能。

然而，在工業(yè)生產(chǎn)中，熱加工態(tài)TB2鈦合金與冷軋態(tài)TB2鈦合金具有同樣重要的應(yīng)用地位，但已有的研究主要是針對(duì)冷軋態(tài)TB2鈦合金，而對(duì)其熱加工態(tài)的研究較少。如何保證熱加工態(tài)TB2鈦合金在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)達(dá)到較好的塑性，一直以來是實(shí)際生產(chǎn)中的難點(diǎn)。熱處理是優(yōu)化合金顯微組織及力學(xué)性能的重要手段。由于熱加工態(tài)組織與冷軋態(tài)組織中的位錯(cuò)等缺陷密度有很大的不同，其對(duì)熱處理的響應(yīng)也有很大差別，關(guān)于該合金冷軋態(tài)的相關(guān)研究并不能有效指導(dǎo)其熱加工態(tài)的研究。因此，研究熱處理對(duì)熱加工態(tài)TB2鈦合金組織及性能的影響是十分必要的。

為此，本研究擬對(duì)熱加工態(tài)TB2鈦合金板材進(jìn)行熱處理，分析固溶+時(shí)效、雙時(shí)效以及固溶+預(yù)時(shí)效+時(shí)效處理對(duì)該合金顯微組織及力學(xué)性能的影響，并進(jìn)一步分析其強(qiáng)化機(jī)制，旨在獲得可使強(qiáng)度與塑性得到良好匹配的最佳熱處理制度。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所選用的TB2鈦合金鑄錠經(jīng)三次真空自耗電弧熔煉獲得。經(jīng)1 150、1 050 ℃兩火次開坯鍛造，980 ℃改鍛、750 ℃成形鍛造后得到尺寸約為80 mm×300 mm×500 mm的TB2鈦合金厚板，其鍛態(tài)顯微組織見圖1。

圖1 TB2鈦合金的鍛態(tài)顯微組織

對(duì)所得TB2鈦合金板材取φ10 mm×70 mm的室溫拉伸試樣及φ10 mm×20 mm的金相試樣，在箱式電阻爐中按表1所列的制度進(jìn)行熱處理。表1中，TB2-1、TB2-2、TB2-3用于對(duì)比分析固溶+時(shí)效、雙時(shí)效及固溶+預(yù)時(shí)效+時(shí)效處理對(duì)合金顯微組織和力學(xué)性能的影響；TB2-3、TB2-4、TB2-5、TB2-6用于對(duì)比分析預(yù)時(shí)效次序、溫度及保溫時(shí)間對(duì)合金顯微組織和力學(xué)性能的影響。熱處理后，車去金相試樣表面氧化皮，經(jīng)機(jī)械拋光后，采用HF+HNO3+H2O (體積比為1∶ 5∶ 50)腐蝕液浸蝕，通過OLYMPUS/PMG3光學(xué)顯微鏡(OM)和 OXFord INCI 掃描電鏡(SEM) 觀察顯微組織并拍照，分析不同熱處理工藝對(duì)合金微觀組織的影響。拉伸試驗(yàn)在INSTRON 5982型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

表1 TB2鈦合金的熱處理制度

2 結(jié)果與討論

2.1 不同熱處理制度對(duì)TB2鈦合金顯微組織的影響

亞穩(wěn)β型鈦合金在時(shí)效過程中會(huì)析出大量次生α相，且α相的尺寸及彌散程度對(duì)合金力學(xué)性能有顯著影響，而通過合理的熱處理工藝，可以得到次生α相彌散分布的顯微組織，從而獲得強(qiáng)度與塑性的良好匹配。TB2鈦合金試樣經(jīng)常規(guī)固溶+時(shí)效(TB2-1)、雙時(shí)效(TB2-2)、固溶+預(yù)時(shí)效+時(shí)效(TB2-3) 處理后其顯微組織如圖2所示。TB2鈦合金試樣經(jīng)TB2-1處理后發(fā)生明顯的再結(jié)晶(圖2a)，與圖1中的鍛態(tài)組織相比其晶粒明顯細(xì)化。圖2a中還可見部分黑色析出區(qū)，進(jìn)一步的SEM分析表明(圖 2d)，黑色區(qū)域的α析出相更加細(xì)密，而其余區(qū)域的α相呈針狀交錯(cuò)分布，沿晶界有細(xì)長的無析出區(qū)，晶內(nèi)也有大小不一的無析出區(qū)。圖3為TB2鈦合金經(jīng)TB2-1處理后的SEM照片，可以觀察到次生α相呈雪花狀聚集。圖2b為經(jīng)TB2-2處理后TB2鈦合金的顯微組織，與圖1相比可以看出，經(jīng)雙時(shí)效處理后沒有發(fā)生明顯的靜態(tài)再結(jié)晶，晶粒粗大，晶界不明顯，且時(shí)效析出的次生α相均勻細(xì)小。進(jìn)一步的SEM分析表明(圖2e)，顯微組織中無明顯晶界，析出物為細(xì)密的點(diǎn)狀或片狀次生α相，尺寸為納米級(jí)。經(jīng)TB2-3處理后，試樣的顯微組織見圖2c、f。經(jīng)該制度熱處理后晶粒明顯細(xì)化，次生α相尺寸介于固溶+時(shí)效熱處理與雙時(shí)效熱處理之間，晶界處析出大量取向一致的片狀次生α相，晶內(nèi)彌散分布細(xì)小的次生α相。

固溶處理可以使TB2鈦合金發(fā)生充分的靜態(tài)再結(jié)晶，從而細(xì)化晶粒。但固溶會(huì)使位錯(cuò)、空位等缺陷急劇減少，導(dǎo)致時(shí)效形核點(diǎn)減少。因此，與雙時(shí)效熱處理相比，常規(guī)固溶+時(shí)效熱處理后，次生α相數(shù)量大幅減小，尺寸明顯增加，析出不均勻。而固溶處理后，通過低溫預(yù)時(shí)效可以析出細(xì)小的次生α相，為后續(xù)的高溫時(shí)效提供形核點(diǎn)，使次生α相更加均勻的形核長大，從圖2d、f中可以明顯看出這一趨勢(shì)。雖然預(yù)時(shí)效可以有效增加形核點(diǎn)，但由于固溶導(dǎo)致位錯(cuò)、空位等缺陷的急劇減少，因此其次生α相密度小于經(jīng)雙時(shí)效熱處理的，如圖2e、f。

圖2 經(jīng)不同制度熱處理后TB2鈦合金的金相照片及SEM照片

圖3 經(jīng)TB2-1制度熱處理后TB2鈦合金的SEM照片

2.2 預(yù)時(shí)效處理對(duì)TB2鈦合金顯微組織的影響

分別調(diào)整TB2-3熱處理制度中的預(yù)時(shí)效順序(TB2-4)、溫度(TB2-5)及保溫時(shí)間(TB2-6)，觀察預(yù)時(shí)效對(duì)TB2鈦合金顯微組織的影響。圖4為經(jīng)3種制度熱處理后得到不同放大倍數(shù)的TB2鈦合金金相照片。從圖4a、d可以看出，與常規(guī)固溶+時(shí)效相比(圖2a、d)，固溶前預(yù)時(shí)效后晶粒尺寸沒有明顯改變，次生α相尺寸有一定減小，均勻性有一定改善，但是無析出區(qū)依然存在。低溫預(yù)時(shí)效會(huì)使β基體上形成大量彌散細(xì)小的次生α相，這些相雖然會(huì)在高溫固溶時(shí)重新溶解，但由于次生α相析出而導(dǎo)致的合金元素偏聚并不會(huì)因高溫固溶的進(jìn)行而完全消除，部分預(yù)時(shí)效形核點(diǎn)會(huì)在二次時(shí)效時(shí)優(yōu)先形核，從而對(duì)次生α相的析出均勻性有一定改善，但是固溶處理前進(jìn)行預(yù)時(shí)效處理對(duì)組織優(yōu)化沒有明顯的效果。

經(jīng)TB2-5處理的TB2鈦合金顯微組織(圖4b、e)中析出的次生α相尺寸相對(duì)較大，而數(shù)量少于經(jīng)TB2-3處理的(圖2c、f)。這是由于在較高溫度預(yù)時(shí)效時(shí)，形核驅(qū)動(dòng)能較低，形核率降低，但擴(kuò)散能力升高，導(dǎo)致次生α相數(shù)量較少但尺寸偏大。

經(jīng)TB2-6處理的TB2鈦合金顯微組織(圖4c、f)中次生α相的數(shù)量、形貌、尺寸等特征與經(jīng)TB2-3處理的(圖2c、f)差別不大，說明時(shí)效析出已達(dá)到飽和，延長時(shí)效時(shí)間已不能達(dá)到優(yōu)化組織的效果。

圖4 經(jīng)不同制度熱處理后TB2鈦合金的金相照片

2.3 熱處理制度對(duì)TB2鈦合金室溫力學(xué)性能的影響

β型鈦合金的強(qiáng)度、塑性與晶粒尺寸及次生α相尺寸、分布、體積分?jǐn)?shù)等因素密切相關(guān)。按表1中的熱處理制度處理后，TB2鈦合金的室溫力學(xué)性能如表2所示。

表2 TB2鈦合金的室溫力學(xué)性能

從表2可以看到，與經(jīng)常規(guī)固溶+時(shí)效熱處理(TB2-1)后的試樣相比，經(jīng)雙時(shí)效熱處理(TB2-2)后試樣強(qiáng)度顯著升高，但塑性較低，這是由于高溫固溶過程中，TB2鈦合金發(fā)生了充分的靜態(tài)再結(jié)晶，晶粒細(xì)化，從而顯著改善了合金的塑性。固溶后增加低溫預(yù)時(shí)效工藝(TB2-3)，在不降低塑性的情況下可以改善合金強(qiáng)度，這是由于增加的預(yù)時(shí)效工藝使次生α相更加均勻細(xì)小的析出。與經(jīng)TB2-2處理后的試樣相比，經(jīng)TB2-1和TB2-4處理后的試樣因?yàn)樵俳Y(jié)晶晶粒細(xì)化，合金塑性得到改善，但是由于次生α相析出不均勻，導(dǎo)致力學(xué)性能的一致性變差，從而影響整體的拉伸性能，特別是強(qiáng)度。然而，與TB2-1熱處理制度相比，雖然固溶前低溫預(yù)時(shí)效(TB2-4)對(duì)次生α相尺寸及均勻性有一定的改善，但不顯著。因此，經(jīng)TB2-4熱處理制度處理后試樣的拉伸性能介于TB2-1、TB2-3之間。當(dāng)提高低溫預(yù)時(shí)效溫度后(TB2-5)，次生α相數(shù)量減小、尺寸增加。因此，與經(jīng)TB2-3制度處理后的試樣相比，強(qiáng)度和塑性有一定的降低。延長低溫預(yù)時(shí)效時(shí)間(TB2-6)，合金室溫拉伸性能同經(jīng)TB2-3制度處理后的試樣相比，抗拉強(qiáng)度變化不明顯，但由于時(shí)效時(shí)間的延長，析出相已達(dá)到飽和狀態(tài)，部分析出的次生α相粗化，導(dǎo)致強(qiáng)度和塑性降低。

3 結(jié) 論

(1)TB2鈦合金分別經(jīng)固溶+時(shí)效、固溶+預(yù)時(shí)效+時(shí)效以及雙時(shí)效處理后，α析出相細(xì)小彌散程度依次遞增。其中，對(duì)于固溶+預(yù)時(shí)效+時(shí)效工藝，提高預(yù)時(shí)效溫度可使次生α相尺寸增加、數(shù)量減少，而延長預(yù)時(shí)效時(shí)間后，顯微組織沒有明顯變化。

(2)TB2鈦合金經(jīng)固溶+時(shí)效處理后，塑性較好、強(qiáng)度偏低；經(jīng)雙時(shí)效處理后，強(qiáng)度較高、塑性較差；經(jīng)固溶+預(yù)時(shí)效+時(shí)效處理后，強(qiáng)度與塑性匹配良好。

(3)經(jīng)780 ℃×1 h/AC+350 ℃×6 h/AC+560 ℃×8 h/AC熱處理后，TB2鈦合金的強(qiáng)度與塑性達(dá)到最優(yōu)匹配，其抗拉強(qiáng)度為1 190 MPa，延伸率為14%。

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國內(nèi)外新聞

2014年日本鈦加工材出貨量及在各個(gè)領(lǐng)域用量

應(yīng)用領(lǐng)域用量/t化工171建筑、土木70電解528醫(yī)療70汽車232應(yīng)用領(lǐng)域用量/t船舶、海洋90海水淡化0生活消費(fèi)品523航空666銷售業(yè)774應(yīng)用領(lǐng)域用量/t電力221體育用品144板式換熱器1261其他151合計(jì)4901

何蕾編譯自《チタン》

Influence of Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of TB2 Titanium Alloy in Hot Working State

Li Silan, Hou Zhimin, Yin Yanfei, Zhang Pengsheng，Mao Xiaonan

(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016, China)

The influence of heat treatments on microstructure and mechanical properties of TB2 titanium alloy in hot working state which included solution+aging, double aging and solution+pre-aging+aging were compared in this research. The microstructure studies show that, adding pre-aging process at low temperature during conventional solution+aging treatment can result in more homogeneous and fine secondaryαphase. The mechanical analysis reveals that TB2 titanium alloy has good plasticity but low strength by conventional solution+aging treatment, while higher strength and poorer plasticity have been found by double aging treatment. However, solution+pre-aging+aging treatment can significantly improve the strength of TB2 titanium alloy, while the plasticity maintained. Further researches indicate that there is an optimal match between strength and plasticity by heat treatment of 780 ℃×1 h/AC+350 ℃×6 h/AC+560 ℃×8 h/AC, for which the strength can up to 1 190 MPa, and the elongation to 14%.

TB2 titanium alloy; heat treatment; pre-aging; microstructure; mechanical properties

2015-07-23

李思蘭(1988—)，女，助理工程師。

TG166.5

A

1009-9964(2015)06-0031-05