熱處理對(duì) TB3鈦合金棒材組織和性能的影響

張英明,韓明臣,倪沛彤,陳杜娟,潘志強(qiáng),朱梅生,董亞軍

(西北有色金屬研究院,陜西 西安 710016)

熱處理對(duì) TB3鈦合金棒材組織和性能的影響

張英明,韓明臣,倪沛彤,陳杜娟,潘志強(qiáng),朱梅生,董亞軍

(西北有色金屬研究院,陜西 西安 710016)

研究了固溶溫度和雙重時(shí)效溫度對(duì) TB3鈦合金棒材組織和力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明,TB3鈦合金棒材的抗拉強(qiáng)度隨著固溶溫度的升高而降低,其組織中的β晶粒也隨著固溶溫度的升高而增大。雙重時(shí)效時(shí),TB3鈦合金棒材的抗拉強(qiáng)度隨著中溫時(shí)效溫度的升高或低溫時(shí)效溫度的降低而提高;析出的α相隨著中溫時(shí)效溫的升高或低溫時(shí)效溫的降低而更加細(xì)小和均勻。

鈦合金;TB 3;熱處理;金相組織;力學(xué)性能

1 前 言

亞穩(wěn)β鈦合金與其他鈦合金系列比較,由于具有耐蝕性好、比強(qiáng)度高、彈性模量低 (固溶狀態(tài))、時(shí)效強(qiáng)化和室溫塑性好等優(yōu)點(diǎn),作為高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料在工業(yè)應(yīng)用中日益受到人們的重視。

TB3鈦合金是我國(guó)自主研制的亞穩(wěn)β鈦合金,主要用于航空、航天緊固件,其名義成分為 Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5A l,其使用狀態(tài)主要是固溶狀態(tài)和時(shí)效狀態(tài)。不同的熱處理制度將影響α相的析出,從而影響 TB3鈦合金的組織和力學(xué)性能[1-4]。本研究考察了不同熱處理制度對(duì) TB3鈦合金棒材組織和力學(xué)性能的影響,旨在優(yōu)化 TB3鈦合金的熱處理制度。

2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)所采用的原材料為 φ8mm軋制棒材,其化學(xué)成分見表1。熱處理實(shí)驗(yàn)分為固溶處理和時(shí)效處理。分別在 740,760,780,800,820,840℃下對(duì)TB3鈦合金棒材進(jìn)行固溶處理,固溶時(shí)間 20m in,空冷。TB3鈦合金時(shí)效一般采用雙重時(shí)效制度,在中溫保溫一定時(shí)間后爐冷到低溫,再在此溫度下長(zhǎng)時(shí)間保溫,然后空冷。時(shí)效試樣首先在 800℃固溶處理,然后分別改變中溫時(shí)效溫度和低溫時(shí)效溫度進(jìn)行雙重時(shí)效處理。具體時(shí)效制度見表2。

表1 TB3鈦合金棒材化學(xué)成分Table 1 Chem ical composition of TB3 alloy bar

表2 TB3鈦合金棒材時(shí)效制度Table 2 Ageing condition fo r TB3 alloy bar

3 結(jié)果與討論

3.1 固溶溫度對(duì)合金棒材組織和力學(xué)性能的影響

TB 3鈦合金經(jīng)不同溫度固溶處理后的組織見圖1。可以看出,圖1a的組織仍然為模糊的加工態(tài)組織,沒有明顯的β晶粒出現(xiàn)。說明此溫度偏低,不能完成合金的固溶。隨著固溶溫度的升高,組織中出現(xiàn)β晶粒,并且β晶粒尺寸隨著溫度的升高增大。說明該合金不適合在高溫下保溫較長(zhǎng)時(shí)間。圖2為棒材經(jīng)不同溫度固溶處理后的力學(xué)性能。從結(jié)果可以看出,隨著溫度的升高,抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。合金經(jīng)740℃到760℃處理后強(qiáng)度下降較快,結(jié)合組織分析可以認(rèn)為,在740℃時(shí)仍為加工態(tài)組織,所以強(qiáng)度較高,而760℃已經(jīng)發(fā)生了再結(jié)晶,形成了β晶粒。在固溶后的冷卻過程中,β晶粒被保留下來,從而降低了棒材強(qiáng)度。從820℃到840℃強(qiáng)度下降也較快,可能原因?yàn)殡S溫度升高,晶粒增長(zhǎng)速度增大,引起強(qiáng)度降低。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi),隨著溫度的升高,合金的塑性穩(wěn)定地提高,但升高幅度很小。總的來說,根據(jù)固溶實(shí)驗(yàn)結(jié)果,TB 3鈦合金的固溶溫度在 780～820℃之間比較合理。

圖1 TB3棒材經(jīng)不同溫度固溶處理后金相照片:(a)740℃; (b)760℃;(c)780℃;(d)800℃;(e)820℃; (f)840℃Fig.1 Metallographs of TB3 alloy bar after solution treatment at different temperature: (a)740℃; (b)760℃; (c)780℃;(d)800℃;(e)820℃;(f)840℃

圖2 TB3棒材經(jīng)不同溫度固溶處理后力學(xué)性能Fig.2 Mechanical properties of TB3 alloy bar after solution treatment at different temperature

3.2 中溫時(shí)效溫度對(duì)組織、性能的影響

圖3為 TB3鈦合金棒材經(jīng)過中溫時(shí)效溫度不同的雙重時(shí)效處理后的金相組織。由圖3可以看出,雙重時(shí)效析出的α相隨著中溫時(shí)效溫度的升高而增加,并且更加細(xì)小。在較低的中溫時(shí)效溫度下,由于形核析出了α相,在隨后的低溫時(shí)效時(shí),先析出的α相繼續(xù)長(zhǎng)大,并減少了低溫時(shí)的α相形核,從而使最終析出的α相表現(xiàn)為粗大,析出不均勻。隨著中溫時(shí)效溫度的升高,中溫時(shí)效時(shí)析出的α相減少,從而使低溫時(shí)效時(shí)形核析出的α相增多,新析出的α相更加細(xì)小。特別是當(dāng)溫度升高到720℃時(shí),中溫時(shí)效析出的α相已經(jīng)很少,最終的α相非常細(xì)小、密集,已經(jīng)不能清晰分辨出α相。圖4為TB3鈦合金棒材經(jīng)過中溫時(shí)效溫度分別為 660,680, 700,720℃的雙重時(shí)效處理后的力學(xué)性能。由圖4可以看出,隨著中溫時(shí)效溫度的升高,抗拉強(qiáng)度明顯升高,從950M Pa升高到1 080MPa。塑性呈下降趨勢(shì),但下降幅度不大,僅 5%左右。為了獲得更高的時(shí)效強(qiáng)度,中溫時(shí)效溫度取較高的溫度是比較合適的。

圖3 中溫時(shí)效溫度對(duì) TB3鈦合金棒材組織的影響: (a)660℃; (b)680℃;(c)700℃; (d)720℃Fig.3 Influence of different middle temperature aging on micro structure of TB3 alloy bar:(a)660℃;(b)680℃; (c)700℃; (d)720℃

圖4 中溫時(shí)效溫度對(duì) TB3鈦合金棒材力學(xué)性能的影響Fig.4 Influence of different middle temperature aging on mechanical property of TB3 alloy bar

3.3 低溫時(shí)效溫度對(duì)組織、性能的影響

圖5為 TB3鈦合金棒材經(jīng)低溫時(shí)效溫度不同的雙重時(shí)效處理后的金相組織。由圖5可以看出,雙重時(shí)效析出的α相隨著低溫時(shí)效溫度的升高而減少,并且更加粗大,析出更不均勻。低溫時(shí)效溫度低時(shí),由于析出過程的形核和長(zhǎng)大速度都相對(duì)減慢,特別是長(zhǎng)大速度減慢的更多,使得析出時(shí)形核過程得到充分的進(jìn)行,形核更加均勻,從而使析出的α相更加細(xì)小、密集,避免了不析出區(qū)的出現(xiàn)。圖6為TB3鈦合金棒材經(jīng)過低溫時(shí)效溫度分別為 520,535, 550,565℃的雙重時(shí)效處理后的力學(xué)性能。從圖6中可以看出,隨著低溫時(shí)效溫度的降低,抗拉強(qiáng)度明顯升高,從900M Pa升高到1 240M Pa。塑性隨低溫時(shí)效溫度的降低呈下降趨勢(shì),低于535℃后,下降趨勢(shì)增大。為了獲得更高的時(shí)效強(qiáng)度,在保證塑性指標(biāo)的前提下,低溫時(shí)效溫度取較低的溫度比較合適。

圖5 低溫時(shí)效溫度對(duì) TB3鈦合金棒材金相組織的影響:(a)520℃;(b)535℃;(c)550℃;(d)565℃Fig.5 Influence of different low temperature aging on micro structure of TB3 bar:(a)520℃;(b)535℃;(c)550℃; (d)565℃

圖6 低溫時(shí)效溫度對(duì) TB3鈦合金棒材力學(xué)性能的影響Fig.6 Influence of different low temperature aging on mechanical property of TB3 bar

4 結(jié) 論

(1)TB3鈦合金棒材抗拉強(qiáng)度隨著固溶溫度的升高而降低,其組織中的β晶粒尺寸也隨著固溶溫度升高而增大。TB 3鈦合金棒材合理的固溶溫度在 780～820℃之間。

(2)雙重時(shí)效時(shí),TB3鈦合金棒材的抗拉強(qiáng)度隨著中溫時(shí)效溫度的升高而提高,時(shí)效析出的α相也隨著溫度升高而更加細(xì)小和均勻。

(3)雙重時(shí)效時(shí),TB3鈦合金棒材的抗拉強(qiáng)度隨著低溫時(shí)效溫度的降低而提高,時(shí)效析出的α相也隨著溫度降低而更加細(xì)小和均勻。

[1]張樹啟,謝麗英,蒙良,等.航空螺栓用 Ti-22合金棒材性能[J].稀有金屬材料與工程,1991,20(1):37-42.

[2]謝麗英,張樹啟,朱玉斌.航空用 Ti-22合金螺栓頭部粗大組織的研究 [J].稀有金屬材料與工程,1989,18 (4):20-24.

[3]張穎楠,李明強(qiáng),張樹啟.熱加工對(duì) TB3合金纖維組織與性能的影響[J].金屬熱處理,2000(9),14-15.

[4]葛鵬,趙永慶,周廉.β鈦合金的強(qiáng)化機(jī)理[J].材料導(dǎo)報(bào),2005,19(12):52-55.

Influence of Heat Treatment on Microstructures and Mechanical Properties of TB3 Titanium Alloy

Zhang Yingming,Han Mingchen,Ni Peitong,Chen Dujuan,Pan Zhiqiang,Zhu Meisheng,Dong Yajun
(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi'an 710016,China)

The influence of solution temperature and double aging temperature on the micro structure and properties of TB3 bar was studied. The results show that tensile strength decreases,and β grain size increases with the solution temperature increase. In the double aging case, tensile strength increases,and precipitated α phase becomes finer and more homogeneous with increase of middle aging temperature and with decrease of low aging temperature.

titanium alloy;TB3;heat treatment;microstructure;mechanical property

2010-07-28

張英明 (1975-),男,博士,高級(jí)工程師,電話:029-86230908。