β晶粒尺寸及双时效炉冷速率对TB3钛合金组织与性能的影响

马保飞，任 璐，高 婷，周立鹏

(西北有色金属研究院， 陕西 西安 710016)

0 引 言

TB3钛合金是西北有色金属研究院于20世纪60代末研发的一种亚稳β钛合金。该合金的名义成分为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，既保证了时效后其良好的力学性能，同时避免了时效析出金属间化合物使合金变脆[1]。通过热处理可以使该合金获得强度与断裂韧性良好匹配的力学性能，用其制造的螺栓、铆钉等紧固件已从20世纪80年代开始在我国航空航天领域广泛应用[2-3]。

TB3钛合金既可以进行单时效处理，也可以进行双时效处理，不同热处理方式可获得不同的力学性能，以满足不同的使用要求。何春燕等人[4]研究了固溶温度及单时效温度对TB3钛合金组织及性能的影响，张英明等人[5]研究了双时效温度对TB3钛合金组织及性能的影响，韩明臣等人[2]研究了固溶处理之后的冷却速度对TB3钛合金组织和性能的影响。然而除此之外，鲜见关于TB3钛合金室温力学性能是否对固溶保温时间、预时效之后的炉冷速率具有敏感性的文献报道。实际生产过程中，经常出现同一批材料在同一制度下热处理，不同炉次间双时效后力学性能波动较大的现象，抗拉强度甚至相差100 MPa。本研究则主要探讨固溶保温时间以及双时效过程中预时效炉冷速率对TB3钛合金组织及力学性能的影响，旨在解决生产过程中存在的问题，为生产中优化TB3钛合金热处理工艺提供参考。

1 实 验

实验材料为经3次真空自耗电弧熔炼的φ440 mm TB3钛合金铸锭，其化学成分如表1所示。铸锭经开坯、锻造、轧制得到φ8 mm的棒材。

表1 TB3钛合金铸锭化学成分(w/%)

Table 1 Chemical composition of TB3 titanium alloy ingot

在TB3钛合金棒材上截取金相试样和拉伸试样，进行不同制度的热处理。其中，热处理制度1#、2#、3#为800 ℃分别保温5、30、60 min后空冷的固溶处理，通过延长保温时间的方式获得不同β晶粒尺寸的显微组织，研究β晶粒尺寸对固溶处理后力学性能的影响；热处理制度4#、5#、6#为800 ℃分别固溶处理5、30、60 min空冷后再进行550 ℃×16 h/AC单时效处理，研究β晶粒尺寸对时效处理后力学性能的影响；热处理制度7#为800 ℃固溶30 min空冷后再进行700 ℃×15 min/AC+550 ℃×16 h/AC双时效处理，预时效后空冷可以当作是炉冷速率的极限；热处理制度8#、9#、10#为800 ℃×30 min/AC+700 ℃×15 min预时效后，分别经过30、90、150 min炉冷至550 ℃，再进行550 ℃×16 h/AC时效处理，研究预时效后冷却速率对组织与性能的影响。采用Instron拉伸试验机进行力学性能测试。采用Olympus光学显微镜对合金微观组织进行观察，并按照GB/T 6394—2002标准对固溶处理试样进行晶粒度评级。

2 结果与分析

2.1 固溶处理对显微组织与力学性能的影响

TB3钛合金棒材加工态试样与固溶处理试样的金相照片见图1。可以看出，TB3钛合金棒材加工态组织为α+β双相组织，即β晶粒基体上分布着大量未转变的初生α相颗粒，并且β晶粒非常细小。经800 ℃固溶处理后，得到了单相等轴β组织(图1b～1d)。从图1b可以看出，即使保温时间只有5 min，初生α相也全部转变为β相，并且β晶粒与加工状态相比有了明显的长大。随着保温时间的延长，β晶粒逐渐长大，晶粒度由8级(图1b)降为5.5级(图1d)。

图1 TB3钛合金棒材加工态与固溶处理后的金相照片Fig.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为TB3钛合金棒材加工态与固溶处理后的力学性能。由表2可见，加工态试样的强度与塑性匹配最好，这与加工态试样β晶粒的尺寸有关。轧制后析出的大量初生α相对TB3钛合金的力学性能影响并不大。同时可以看出，随着β晶粒尺寸的长大，抗拉强度逐渐降低，而延伸率和断面收缩率变化不大，这说明固溶状态下TB3钛合金延伸率和断面收缩率对β晶粒尺寸并不敏感。

表2 TB3钛合金棒材加工态与固溶处理后的力学性能

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

2.2 时效处理对显微组织与力学性能的影响

图2为经固溶处理后的TB3钛合金棒材再经单时效处理和双时效处理后的金相照片。由图2a～2c可见，单时效处理后TB3钛合金棒材显微组织为β相基体上弥散分布着大量的α相，α相在晶界和晶内均有析出。对比图1可以看出，单时效处理后β晶粒并没有长大，晶粒大小维持在固溶处理之后的级别。从图2d～2g可以看出，双时效处理后TB3钛合金显微组织中的晶界附近出现无析出物区，且预时效后炉冷速率越慢，晶界的无析出物区越明显。这是因为在预时效处理及之后的炉冷过程中，β固溶体中晶界附近的空位大量向晶界逃逸，空位浓度降低，使得α相形核率降低，从而形成了晶界两侧的无析出物区；炉冷速率越慢，冷却时间越长，晶界无析出物区越宽。

图2 TB3钛合金棒材固溶+时效处理后的金相照片Fig.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#

图3为TB3钛合金试样经固溶+时效处理后的力学性能。从图3a可以看出,随着试样固溶处理时保温时间的延长，即随β晶粒的长大，单时效后塑性指标呈下降趋势，但抗拉强度变化不明显。产生这种现象主要与亚稳β钛合金的时效强化机理有关：亚稳定β钛合金在时效时析出α相，α相弥散分布在β基体上形成沉淀相，沉淀相可以有效地阻止位错和晶界的运动，从而提高合金的强度，这种强化方式对TB3钛合金时效后的抗拉强度起到了决定性作用。由于固溶后进行同样的单时效处理，即在同一温度下保温相同时间，α相的形核与长大所处的热力学与动力学条件一致。时效处理后，α相的析出数量、形态与分布一致，故时效强化效果也位于同一水平，所以抗拉强度并没有因为β晶粒长大而发生明显变化。延伸率与断面收缩率随固溶处理时保温时间的延长而下降，这一现象与β晶粒长大有直接关系。也就是说TB3钛合金的时效强度对β晶粒尺寸不敏感，而β晶粒尺寸对塑性指标有较大的影响。

图3 TB3钛合金棒材经固溶+时效处理后的力学性能Fig.3 Mechanical prosperities of TB3 titanium alloy bars after solution and aging treatment：(a)single aging；(b)double aging

从图3b可以看出，经双时效处理后试样的抗拉强度相对于单时效而言有所降低，而延伸率与断面收缩率升高，并且随着预时效后炉冷速率的减慢，抗拉强度逐渐降低，延伸率与断面收缩率逐渐升高，造成这一现象主要有以下2方面原因。一方面，由于700 ℃预时效及随后的炉冷过程中会析出α相，温度越高析出的α相越粗大，对强度的贡献越小。炉冷速率越慢，试样在高温下停留的时间越长，析出的粗大α相数量越多，并且在整个时效过程中析出α相数量是相对一定的，炉冷过程析出的粗大α相越多，则在550 ℃长时间保温时析出的具有更好强化作用的α相就会减少。另一方面，双时效时晶界会出现无析出物区，炉冷速率越慢，晶界的无析出物区越宽，而晶界的无析出物区会降低材料的强度，提高材料的塑性。

在以往的生产实践中，在同一热处理制度下对同一批TB3钛合金材料进行热处理，不同炉次间力学性能波动较大，其原因正是由于不同炉次间炉冷速率不同。

3 结 论

(1)固溶处理TB3钛合金时，随着保温时间的延长β晶粒尺寸逐渐长大，抗拉强度逐渐降低，而延伸率和断面收缩率变化不大。

(2)β晶粒尺寸对单时效后的抗拉强度影响不大，而延伸率与断面收缩率随晶粒的增大而降低。

(3)双时效过程中预时效炉冷速率越慢，抗拉强度越低，延伸率与断面收缩率越好。

[1] 朱玉斌，张树启，谢丽英．时效预处理对Ti-22合金组织和力学性能的影响[J]．稀有金属材料与工程，1989，18(3)：16-22．

[2] 韩明臣，倪沛彤，舒滢，等．冷却速度对TB3 合金组织和性能的影响[J]．稀有金属材料与工程，2008，37(增刊4)：655-657．

[3] 中国航空材料手册编辑委员会．中国航空材料手册[M]．北京：中国标准出版社，2001．

[4] 何春艳，叶红川，曲恒磊，等. 热处理制度对TB3钛合金组织及性能的影响[J].热加工工艺，2011，40(20)：181-182,185．

[5] 张英明，韩明臣，倪沛彤，等.热处理对TB3钛合金棒材组织和性能的影响[J].钛工业进展，2010，27(6)：30-33．