馬保飛，任 璐，高 婷，周立鵬

(西北有色金屬研究院， 陜西 西安 710016)

0 引 言

TB3鈦合金是西北有色金屬研究院于20世紀60代末研發(fā)的一種亞穩(wěn)β鈦合金。該合金的名義成分為Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al，其中添加了大量的β同晶元素Mo、V和少量的慢共析型元素Fe，既保證了時效后其良好的力學性能，同時避免了時效析出金屬間化合物使合金變脆[1]。通過熱處理可以使該合金獲得強度與斷裂韌性良好匹配的力學性能，用其制造的螺栓、鉚釘?shù)染o固件已從20世紀80年代開始在我國航空航天領(lǐng)域廣泛應用[2-3]。

TB3鈦合金既可以進行單時效處理，也可以進行雙時效處理，不同熱處理方式可獲得不同的力學性能，以滿足不同的使用要求。何春燕等人[4]研究了固溶溫度及單時效溫度對TB3鈦合金組織及性能的影響，張英明等人[5]研究了雙時效溫度對TB3鈦合金組織及性能的影響，韓明臣等人[2]研究了固溶處理之后的冷卻速度對TB3鈦合金組織和性能的影響。然而除此之外，鮮見關(guān)于TB3鈦合金室溫力學性能是否對固溶保溫時間、預時效之后的爐冷速率具有敏感性的文獻報道。實際生產(chǎn)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)同一批材料在同一制度下熱處理，不同爐次間雙時效后力學性能波動較大的現(xiàn)象，抗拉強度甚至相差100 MPa。本研究則主要探討固溶保溫時間以及雙時效過程中預時效爐冷速率對TB3鈦合金組織及力學性能的影響，旨在解決生產(chǎn)過程中存在的問題，為生產(chǎn)中優(yōu)化TB3鈦合金熱處理工藝提供參考。

1 實 驗

實驗材料為經(jīng)3次真空自耗電弧熔煉的φ440 mm TB3鈦合金鑄錠，其化學成分如表1所示。鑄錠經(jīng)開坯、鍛造、軋制得到φ8 mm的棒材。

表1 TB3鈦合金鑄錠化學成分(w/%)

Table 1 Chemical composition of TB3 titanium alloy ingot

在TB3鈦合金棒材上截取金相試樣和拉伸試樣，進行不同制度的熱處理。其中，熱處理制度1#、2#、3#為800 ℃分別保溫5、30、60 min后空冷的固溶處理，通過延長保溫時間的方式獲得不同β晶粒尺寸的顯微組織，研究β晶粒尺寸對固溶處理后力學性能的影響；熱處理制度4#、5#、6#為800 ℃分別固溶處理5、30、60 min空冷后再進行550 ℃×16 h/AC單時效處理，研究β晶粒尺寸對時效處理后力學性能的影響；熱處理制度7#為800 ℃固溶30 min空冷后再進行700 ℃×15 min/AC+550 ℃×16 h/AC雙時效處理，預時效后空冷可以當作是爐冷速率的極限；熱處理制度8#、9#、10#為800 ℃×30 min/AC+700 ℃×15 min預時效后，分別經(jīng)過30、90、150 min爐冷至550 ℃，再進行550 ℃×16 h/AC時效處理，研究預時效后冷卻速率對組織與性能的影響。采用Instron拉伸試驗機進行力學性能測試。采用Olympus光學顯微鏡對合金微觀組織進行觀察，并按照GB/T 6394—2002標準對固溶處理試樣進行晶粒度評級。

2 結(jié)果與分析

2.1 固溶處理對顯微組織與力學性能的影響

TB3鈦合金棒材加工態(tài)試樣與固溶處理試樣的金相照片見圖1?？梢钥闯?，TB3鈦合金棒材加工態(tài)組織為α+β雙相組織，即β晶?；w上分布著大量未轉(zhuǎn)變的初生α相顆粒，并且β晶粒非常細小。經(jīng)800 ℃固溶處理后，得到了單相等軸β組織(圖1b～1d)。從圖1b可以看出，即使保溫時間只有5 min，初生α相也全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，并且β晶粒與加工狀態(tài)相比有了明顯的長大。隨著保溫時間的延長，β晶粒逐漸長大，晶粒度由8級(圖1b)降為5.5級(圖1d)。

圖1 TB3鈦合金棒材加工態(tài)與固溶處理后的金相照片F(xiàn)ig.1 Metallographs of TB3 titanium alloy bars in working state and after solution treatment:(a)R state； (b)process 1#；(c)process 2#；(d)process 3#

表2為TB3鈦合金棒材加工態(tài)與固溶處理后的力學性能。由表2可見，加工態(tài)試樣的強度與塑性匹配最好，這與加工態(tài)試樣β晶粒的尺寸有關(guān)。軋制后析出的大量初生α相對TB3鈦合金的力學性能影響并不大。同時可以看出，隨著β晶粒尺寸的長大，抗拉強度逐漸降低，而延伸率和斷面收縮率變化不大，這說明固溶狀態(tài)下TB3鈦合金延伸率和斷面收縮率對β晶粒尺寸并不敏感。

表2 TB3鈦合金棒材加工態(tài)與固溶處理后的力學性能

Table 2 Mechanical prosperities of TB3 titanium alloy bars at R state and after solution treatment

2.2 時效處理對顯微組織與力學性能的影響

圖2為經(jīng)固溶處理后的TB3鈦合金棒材再經(jīng)單時效處理和雙時效處理后的金相照片。由圖2a～2c可見，單時效處理后TB3鈦合金棒材顯微組織為β相基體上彌散分布著大量的α相，α相在晶界和晶內(nèi)均有析出。對比圖1可以看出，單時效處理后β晶粒并沒有長大，晶粒大小維持在固溶處理之后的級別。從圖2d～2g可以看出，雙時效處理后TB3鈦合金顯微組織中的晶界附近出現(xiàn)無析出物區(qū)，且預時效后爐冷速率越慢，晶界的無析出物區(qū)越明顯。這是因為在預時效處理及之后的爐冷過程中，β固溶體中晶界附近的空位大量向晶界逃逸，空位濃度降低，使得α相形核率降低，從而形成了晶界兩側(cè)的無析出物區(qū)；爐冷速率越慢，冷卻時間越長，晶界無析出物區(qū)越寬。

圖2 TB3鈦合金棒材固溶+時效處理后的金相照片F(xiàn)ig.2 Metallographs of TB3 titanium alloy bars after solution and aging treatment:(a)process 4#;(b)process 5#;(c)process 6#; (d)process 7#;(e)process 8#;(f)process 9#;(g)process 10#

圖3為TB3鈦合金試樣經(jīng)固溶+時效處理后的力學性能。從圖3a可以看出,隨著試樣固溶處理時保溫時間的延長，即隨β晶粒的長大，單時效后塑性指標呈下降趨勢，但抗拉強度變化不明顯。產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要與亞穩(wěn)β鈦合金的時效強化機理有關(guān)：亞穩(wěn)定β鈦合金在時效時析出α相，α相彌散分布在β基體上形成沉淀相，沉淀相可以有效地阻止位錯和晶界的運動，從而提高合金的強度，這種強化方式對TB3鈦合金時效后的抗拉強度起到了決定性作用。由于固溶后進行同樣的單時效處理，即在同一溫度下保溫相同時間，α相的形核與長大所處的熱力學與動力學條件一致。時效處理后，α相的析出數(shù)量、形態(tài)與分布一致，故時效強化效果也位于同一水平，所以抗拉強度并沒有因為β晶粒長大而發(fā)生明顯變化。延伸率與斷面收縮率隨固溶處理時保溫時間的延長而下降，這一現(xiàn)象與β晶粒長大有直接關(guān)系。也就是說TB3鈦合金的時效強度對β晶粒尺寸不敏感，而β晶粒尺寸對塑性指標有較大的影響。

圖3 TB3鈦合金棒材經(jīng)固溶+時效處理后的力學性能Fig.3 Mechanical prosperities of TB3 titanium alloy bars after solution and aging treatment：(a)single aging；(b)double aging

從圖3b可以看出，經(jīng)雙時效處理后試樣的抗拉強度相對于單時效而言有所降低，而延伸率與斷面收縮率升高，并且隨著預時效后爐冷速率的減慢，抗拉強度逐漸降低，延伸率與斷面收縮率逐漸升高，造成這一現(xiàn)象主要有以下2方面原因。一方面，由于700 ℃預時效及隨后的爐冷過程中會析出α相，溫度越高析出的α相越粗大，對強度的貢獻越小。爐冷速率越慢，試樣在高溫下停留的時間越長，析出的粗大α相數(shù)量越多，并且在整個時效過程中析出α相數(shù)量是相對一定的，爐冷過程析出的粗大α相越多，則在550 ℃長時間保溫時析出的具有更好強化作用的α相就會減少。另一方面，雙時效時晶界會出現(xiàn)無析出物區(qū)，爐冷速率越慢，晶界的無析出物區(qū)越寬，而晶界的無析出物區(qū)會降低材料的強度，提高材料的塑性。

在以往的生產(chǎn)實踐中，在同一熱處理制度下對同一批TB3鈦合金材料進行熱處理，不同爐次間力學性能波動較大，其原因正是由于不同爐次間爐冷速率不同。

3 結(jié) 論

(1)固溶處理TB3鈦合金時，隨著保溫時間的延長β晶粒尺寸逐漸長大，抗拉強度逐漸降低，而延伸率和斷面收縮率變化不大。

(2)β晶粒尺寸對單時效后的抗拉強度影響不大，而延伸率與斷面收縮率隨晶粒的增大而降低。

(3)雙時效過程中預時效爐冷速率越慢，抗拉強度越低，延伸率與斷面收縮率越好。

[1] 朱玉斌，張樹啟，謝麗英．時效預處理對Ti-22合金組織和力學性能的影響[J]．稀有金屬材料與工程，1989，18(3)：16-22．

[2] 韓明臣，倪沛彤，舒瀅，等．冷卻速度對TB3 合金組織和性能的影響[J]．稀有金屬材料與工程，2008，37(增刊4)：655-657．

[3] 中國航空材料手冊編輯委員會．中國航空材料手冊[M]．北京：中國標準出版社，2001．

[4] 何春艷，葉紅川，曲恒磊，等. 熱處理制度對TB3鈦合金組織及性能的影響[J].熱加工工藝，2011，40(20)：181-182,185．

[5] 張英明，韓明臣，倪沛彤，等.熱處理對TB3鈦合金棒材組織和性能的影響[J].鈦工業(yè)進展，2010，27(6)：30-33．