李修勇，劉彥昌，，朱寶輝，，沈立華，胡革全，陳勝川

（1.中色（寧夏）東方集團有限公司，寧夏 石嘴山 753000；2.寧夏中色金航鈦業(yè)有限公司，寧夏 石嘴山 753000）

TB3合金是一種可熱處理強化的亞穩(wěn)定β型鈦合金（名義成分為Ti-10Mo-8V-3.5Al-1Fe），該合金固溶處理狀態(tài)具有優(yōu)異的冷成形性能，其冷鐓比(Dt/Do)可達到2.8，固溶時效熱處理后可獲得較高的強度，主要用于航空、航天領域制造高強度緊固件[1]。

通常該合金的棒材以固溶狀態(tài)供貨，經冷鐓成形后以時效狀態(tài)使用，因而在合金熱處理制度及熱加工工藝對其組織性能影響方面的相關研究較多[1-6]。但實際生產過程中，即使在相同的熱處理條件下也存在組織及性能波動較大的現象，究其原因，是主合金元素含量控制不當所致。由于TB3合金是一種Mo含量較高且Mo當量很高的鈦合金，所以主合金元素含量以及Mo當量的控制對于合金的組織和性能調控非常重要。本文通過對Al、Mo和V主合金元素含量的調整，研究了主合金元素含量以及Mo當量對TB3合金棒材熱處理組織和性能的影響，為獲得合理的元素含量控制范圍以及后續(xù)組織性能的優(yōu)化控制提供參考。

1 試驗方法

采用50kg真空自耗電弧爐，通過三次熔煉獲得不同成分配比的TB3鑄錠，化學成分分析結果及相變點溫度和Mo當量的計算結果見表1。鑄錠經過熱鍛造和熱軋工序加工成φ8mm的棒材，然后進行固溶和時效熱處理。固溶熱處理制度為800℃/20min，水冷（WC），時效熱處理制度為700℃ /30min，爐冷（FC）+535℃ /16h，水冷（WC）。

對熱處理后的棒材進行取樣，拉伸試樣按照GB/T228標準進行制樣，采用INSTRON 4505電子萬能試驗機上進行拉伸試驗，顯微組織用Leica MM-6金相顯微鏡進行觀察。

2 試驗結果與討論

2.1 成分和Mo當量對合金固溶處理組織及性能的影響

圖1是三種成分TB3合金棒材經800℃×20min固溶處理后的顯微組織。由圖1可見，隨著合金元素含量和Mo當量的增加，固溶后合金的晶粒有所細化，尤其是當Mo和V含量同時提高、Mo當量達到18.5時，晶粒細化更加顯著，平均晶?？梢赃_到25μm。其中β穩(wěn)定元素對合金的晶粒細化作用較為顯著，如圖1 c所示。當Mo當量很高時，由于β穩(wěn)定合金元素含量接近臨界濃度，合金的相變點溫度也進一步降低(728℃)，當固溶處理快速冷卻時，在冷卻過程中β相來不及完全分解，保留了少量的亞穩(wěn)定β相，這些亞穩(wěn)定β相會在后續(xù)的時效熱處理過程中進一步分解析出α強化相。

表1 TB3合金鑄錠的化學成分、相變點和Mo當量

圖1 成分及Mo當量對TB3合金固溶后顯微組織的影響

圖2 成分及Mo當量對TB3合金固溶力學性能的影響

由圖2可知，隨著合金元素含量和Mo當量的增加，合金固溶后的強度也隨之升高，而延伸率和斷面收縮率并沒有隨之降低。其中，當合金中Al含量增加0.4%左右(合金2與合金1相比)，固溶后合金的抗拉強度增加了約30MPa，當合金中Mo含量增加0.2%和V含量增加0.5%時(合金3與合金2相比)，固溶后合金的抗拉強度也增加了約30MPa；而當合金中Mo含量增加0.2%，Al和V含量同時增加0.5%左右時(合金3與合金1相比)，固溶后合金的抗拉強度增加了約60MPa。但隨著合金元素含量的增加強度上升的同時，合金的斷后伸長率和斷面收縮率并沒有明顯下降，仍保持較高的塑性。

2.2 成分和Mo當量對合金時效熱處理組織及性能的影響

圖3是三種成分TB3合金棒材經700℃/30minFC+535℃/16h時效處理后的顯微組織。由圖3可見，效態(tài)組織都是在亞穩(wěn)β相中析出了α相，且α相優(yōu)先在晶粒的晶界處析出。在圖3a中，由于Mo當量較低，在固溶處理時能夠保留的亞穩(wěn)β相的量不足，亞穩(wěn)β相分解析出的α相的數量也較少，所以出現了α相在晶界大量析出和晶內的不均勻析出，形成了在β相內α相的不均析出組織。但隨著合金元素含量和Mo當量的增加，在固溶處理時能夠保留足夠的亞穩(wěn)β相，所以時效過程中在β晶粒中析出的α相則更加均勻和彌散（見圖3b和圖3c）。

圖3 成分及Mo當量對TB3合金時效顯微組織的影響

由圖4可知，隨著合金元素含量和Mo當量的增加，時效后的拉伸性能變化趨勢和固溶處理一致，強度隨之增加，塑性保持較為穩(wěn)定的水平。其中，合金中Al含量增加0.5%左右（合金2與合金1相比），時效后合金的抗拉強度增加了約130MPa，當合金中Mo含量增加0.2%和V含量增加0.5%時（合金3與合金2相比），時效后合金的抗拉強度也增加了約50MPa，而當合金中Mo含量增加0.2%，Al和V含量同時增加0.5%左右時（合金3與合金1相比），時效后合金的抗拉強度增加了約180MPa。由以上分析可以看出，隨著合金元素含量和Mo當量的增加，合金時效后的強度強化比較明顯（合金3的強度達到了1173MPa），而斷后伸長率和斷面收縮率下降幅度較低（合金3與合金1相比，分別約為7%和6%），仍保持了良好的塑性（合金3的斷后伸長率和斷面收縮率分別為14.5%和49.5%），使合金獲得了良好的強度和塑性匹配的結果。

圖4 成分及Mo當量對TB3合金時效力學性能的影響

3 結論

（1）隨著合金元素含量和Mo當量的增加，TB3合金固溶處理后的晶粒有所細化，平均晶粒可以達到20μm，時效過程中在β晶粒中析出的α相則更加均勻和彌散；

（2）隨著合金元素含量和Mo當量的增加，固溶和時效后的拉伸性能變化趨勢基本一致，強度隨之增加，塑性下降幅度較低，仍保持了良好的塑性；

（3）選擇較高的合金元素含量和Mo當量，可以使TB3合金固溶時效后的強度達到1173MPa,斷后伸長率和斷面收縮率分別為14.5%和49.5%,獲得了良好的強度和塑性匹配。