热处理制度对TB2钛合金带材力学性能及显微组织的影响

倪沛彤，韩明臣，朱梅生，张英明

(西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

1 前言

TB2(Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al)钛合金是一种亚稳定β型高强钛合金，它具有优异的冷加工成形特性，热处理强化效果显著，高温瞬时性能好，而且焊接性能优良［1－2］。该合金是我国自主研制的高强高韧钛合金，主要用于制造航天器的高压容器、星箭解锁装置及高强度连接件等;尤其是TB2钛合金带材，作为航天器舱体的承力结构件而获得应用［3］。然而由于TB2钛合金成分比较复杂，工艺因素，特别是最终的热处理工艺对合金的组织、性能有很大的影响［4］。

本实验通过对厚度为0.8 mm的TB2钛合金带材的热处理工艺研究，优化TB2钛合金带材热处理工艺参数，以获得具有良好综合力学性能的TB2钛合金带材，为其工业化生产提供技术支持。

2 实验

实验材料为经真空电弧炉熔炼、锻造、热轧、冷轧等工序加工成厚度0.8 mm的TB2钛合金带材。分别在780、790、800、810℃ 4种不同温度下，进行保温时间为12 min的真空气淬固溶处理，以优选固溶处理温度。在优选的固溶温度下，分别进行真空水淬、真空气淬、空冷和炉冷4种冷却方式的固溶处理，以优选固溶冷却方式。最后，对固溶处理过的 TB2钛合金带材，分别进行460、480、500、520℃×8 h/FC时效处理，考察时效温度对带材组织和性能的影响。

热处理后的TB2钛合金带材在Instron 1185拉伸试验机上进行室温拉伸性能测试;使用OLMPUS PMG光学显微镜进行显微组织观察。

3 结果与讨论

3.1 固溶处理温度对组织和力学性能的影响

图1为厚度0.8 mm的TB2钛合金带材分别经过780、790、800、810℃ ×12 min真空气淬固溶处理后的力学性能。由图1可见，其抗拉强度为930～980 MPa，延伸率为22%～27%，抗拉强度与延伸率变化较小。相比之下，TB2钛合金带材的固溶温度为800℃时，抗拉强度和延伸率均为最佳。

图1 TB2钛合金带材经不同温度固溶处理后的力学性能Fig.1 Mechanical properties of TB2 alloy strip at different temperature of ST

图2为TB2钛合金带材经780℃和810℃固溶处理后的显微组织。从图2可以看出，固溶处理后的显微组织均为单相等轴β组织;在780℃固溶，由于温度较低，β晶界还没有完全析出;在810℃固溶，不仅β晶界完全析出，而且等轴β晶粒较780℃固溶时已稍有长大，说明此时的固溶温度已偏高，这与图1中800℃固溶时力学性能较佳相对应。

图2 TB2钛合金带材经不同温度固溶处理后的显微组织Fig.2 Microstructures of TB2 alloy strip at different temperature of ST

3.2 冷却方式对显微组织和力学性能的影响

根据3.1实验结果，将0.8 mm厚的TB2钛合金带材加热至800℃保温12 min，然后分别采用真空水淬、真空气淬、空冷、炉冷4种不同方式冷却，处理后测得的力学性能见图3。由图3可见，真空气淬、空冷、炉冷3种冷却方式，随着冷却速率的加快，延伸率逐渐提高，抗拉强度有所下降;真空水淬与真空气淬冷却方式相比，延伸率相当，但抗拉强度高出约40 MPa。可见，真空水淬方式优于真空气淬方式，但由于现有的真空水淬炉只能进行小批量生产，难以实现工业化生产［5］。

图3 TB2钛合金带材经不同冷却方式固溶处理后力学性能Fig.3 Mechanical properties of TB2 alloy strip at different cooling methods

图4为真空气淬、空冷、炉冷3种冷却方式固溶处理的TB2钛合金带材的显微组织。通过显微组织观察可见，空冷、气淬均获得了单相等轴β组织(图4a、b)，且气淬方式的β晶粒更细小;采用炉冷方式，在等轴β组织中已经有一些细小的第二相析出物(图4c)，故其抗拉强度高达1090 MPa，而延伸率仅仅为6.5%。因此，从综合力学性能及可操作性来看，对0.8 mm厚的TB2钛合金带材，宜采用真空气淬方式进行固溶处理。

3.3 时效热处理温度对力学性能的影响

图5为800℃×12 min/AQ固溶处理的0.8 mm厚TB2钛合金带材分别在460、480、500、520℃经过8 h保温后炉冷时效处理后的力学性能。由图5可见，时效温度为480℃时的热处理效果较好，其抗拉强度可达1250 MPa以上，延伸率达到18%以上，综合力学性能达到最佳匹配。图6是经480℃×8 h/FC时效处理后的显微组织。该组织的等轴β晶粒内有均匀细小的弥散型α相析出物，从而保证了其有较高的强度和良好的塑性［6］。

图4 TB2带材经不同冷却方式固溶处理后的显微组织Fig.4 Microstructures of TB2 alloy strip at different cooling methods

图5 TB2带材经不同温度时效处理后的力学性能Fig.5 Mechanical properties of TB2 alloy strip at different temperature of STA

图6 480℃ ×8 h/FC时效处理后的显微组织Fig.6 Microstructure of TB2 titanium alloy strip after 480℃×8 h/FC STA

4 结论

(1)固溶处理时，冷却方式对TB2钛合金带材的力学性能影响较大。真空水淬与真空气淬均能得到较高的综合力学性能，但从可操作性来看，应采用真空气淬的方式冷却。

(2)TB2钛合金带材的较佳固溶温度为800℃，经800℃×12 min真空气淬固溶处理后，可获得高的强度和延伸率。

(3)TB2钛合金带材的较佳时效温度为480℃，经480℃×8 h/FC时效处理后，其抗拉强度可达1250 MPa以上，延伸率达到18%以上，组织中的等轴β晶粒内均匀分布着细小的α相。

［1］稀有金属材料加工手册书编写组.稀有金属材料加工手册［M］.北京:冶金工业出版社，1985:791.

［2］卢佚，王俭，王红武.热处理对TB2钛合金组织和性能的影响［J］.稀有金属快报，2008，27(8):29－33.

［3］张翥，陈海珊.高强 TB2钛合金箔材及其应用研究［C］//第六届钛及钛合金会议文集编写组.钛科学与工程:第六届钛及钛合金会议文集.北京:原子能出版社，1987:149.

［4］倪沛彤，韩明臣，张英明，等.空间用TB2钛合金带材的力学性能研究［J］.真空与低温，2011(增刊2):231－234.

［5］冶金部有色金属研究院.介稳定β型钛合金TB2的研制［C］//第一届钛及钛合金会议文集编辑小组.第一届钛及钛合金会议文集.北京:有色金属金属研究院，1973:87－94.

［6］姚锦声，王世洪.TB2合金等温转变的初步研究［C］//第四届钛及钛合金会议文集编辑小组.第四届钛及钛合金会议文集.北京:有色金属金属研究院，1983:322－328.