固溶时效对TB6钛合金锻件组织和性能的影响

高 蕾 刘 娟 宋 琦 崔明亮

(中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司，四川618000)

TB6钛合金是一种近β钛合金，国外牌号为Ti-10V-2Fe-3Al，该材料具有较高比强度、良好的断裂韧性、较高的淬透性、良好的切削性和抗腐蚀性等特点。广泛应用于航空航天领域，例如飞机涡轮盘、飞机起落架和直升机旋翼系统，国内航空领域TB6钛合金主要应用于直升机领域锻件[1]。TB6钛合金锻件常用固溶时效热处理工艺，固溶温度、淬火冷速和时效温度是影响锻件性能的主要参数，陈威[2]等人研究了单级时效和双级时效工艺的影响；王文婷[3]等人研究了低温时效的影响；刘彬[4]等人研究了TB6钛合金多重固溶时效热处理工艺对锻件的影响。

本文通过采用∅130 mm规格TB6钛合金棒材改锻为自由锻件，研究固溶和时效热处理的温度对自由锻件组织和性能的影响，最终获得应用于锻件生产交付的最优热处理工艺，同时掌握热处理工艺和组织性能的对应关系，便于锻件组织性能不合格问题处理。

1 试验材料及方法

1.1 试验用料

试验用料为∅130 mm规格棒材经锻造后的自由锻件，自由锻件尺寸为200 mm×100 mm×60 mm，对应锻造方向为L×LT×ST。材料化学成分如表1所示。检测材料相变点为806℃。

表1 材料化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of the material (mass fractiom, %)

1.2 试验方法

根据锻件规范要求锻件采用两相区热处理，固溶选取Tβ-(30～60℃)，水淬。时效选取510～540℃，空冷。锻件规范中要求的热处理时间变化对锻件性能影响较小，因此本试验未选取不同时间对比的工艺试验。本试验中选取不同固溶和时效温度试验方案如表2所示，固溶温度选取770℃、760℃、750℃，时效温度选取540℃、530℃、520℃。

表2 不同固溶和时效温度试验方案Table 2 The testing programs at the different solid solution and aging temperatures

按GJB 2744A—2007标准检测锻件，检测项目和取样方案见图1，力学性能试样取自截面中心。室温拉伸选用∅5 mm×50 mm试样，试验方法按照GB/T 228.1—2010要求；断裂韧性试样采用B=25 mm，试验方法按照GB/T 4161—2007要求；显微组织和低倍试验方法按照GB/T 5168—2008要求。

图1 取样图Figure 1 Sampling drawing

2 结果与分析

2.1 固溶和时效温度对力学性能的影响

图2为TB6钛合金自由锻件经过不同固溶和时效温度热处理后的力学性能。在相同的时效温度下，随着固溶温度从770℃下降到750℃，可以看出，图2(a)中抗拉强度呈下降趋势，主要趋势为固溶温度每降10℃，抗拉强度下降约10 MPa；图2(b)和图2(c)中断后伸长率和断裂韧性呈上升趋势，固溶760℃较770℃断后伸长率明显上升约2%，断裂韧性明显上升5 MPa·m1/2；固溶750℃较760℃断后伸长率和断裂韧性略有上升，分别上升约1%和2 MPa·m1/2。

在相同的固溶温度下，随着时效温度从520℃升高到540℃，可以看出，图2(a)抗拉强度呈下降趋势，时效温度每升高10℃，抗拉强度下降约40～50 MPa；图2(b)中断后伸长率略有升高趋势；图2(c)中时效520℃升高至530℃时断裂韧性略有升高，约3～5 MPa·m1/2左右，但当时效温度由530℃升高至540℃时断裂韧性明显升高约5～10 MPa·m1/2。

(a)抗拉强度

(b)断后伸长率

(c)断裂韧性图2 不同固溶和时效温度下的力学性能Figure 2 The mechanical property at the different solid solution and aging temperatures

2.2 固溶和时效温度对高低倍组织的影响

在相同固溶温度情况下，不同时效温度的锻件低倍无不同之处。在相同时效温度下，不同固溶温度的锻件低倍有不同之处。图3为分别在770℃、760℃、750℃固溶后520℃时效的低倍组织，可以看出固溶温度越高晶粒越粗越清晰，遵循温度升高晶粒长大的普遍规律。自由锻件中间变形量大，形成拉长晶粒，低倍评级均满足GJB 2744A—2007中4级要求。

(a)固溶770℃

(b)固溶760℃

(c)固溶750℃图3 不同温度固溶后520℃时效的低倍组织Figure 3 Macrostructure at 520℃ aging temperature after solid solution at the different temperatures

高倍组织如图4和图5所示，均为两相区组织，由时效β基体和球状或条状初生α相组成，均满足GJB 2744A—2007中2类组织，初生α相含量均满足不低于10%。原始β晶粒边界未出现连续的、平直的α相网格，未出现粗大的晶界α相组织。在固溶温度760℃时，不同时效温度520℃、530℃、540℃情况下，高倍组织如图4所示，随着时效温度的降低，初生α相含量略有降低。在时效温度530℃时，不同固溶温度770℃、760℃、750℃情况下，高倍组织如图5所示，固溶温度每降低10℃，初生α相含量增加约5%～10%。

图4 不同时效温度的高倍组织Figure 4 Microstructures at the different aging temperatures

图5 不同固溶温度的高倍组织Figure 5 Microstructures at the different solution temperatures

3 结论

(1)固溶温度每降低10℃时，抗拉强度下降约10 MPa，断后伸长率升高约1%～2%，断裂韧性升高约2～5 MPa，高倍组织中初生α相含量增加约5%～10%，低倍组织中晶粒略有变细。

(2)时效温度每升高10℃时，抗拉强度下降约40～50 MPa，断后伸长率略有升高；时效温度520℃升到530℃时断裂韧性升高约3～5 MPa·m1/2，时效温度530℃升到540℃时，断裂韧性升高约5～10 MPa·m1/2，时效温度对高低倍组织影响较小。

(3)固溶选用750～760℃水冷，时效选用520～530℃空冷，室温拉伸和断裂韧性具有较好的匹配性，低倍晶粒较细，高倍组织中初生α相较多。