熱處理制度對TB2鈦合金帶材力學性能及顯微組織的影響

倪沛彤，韓明臣，朱梅生，張英明

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

1 前言

TB2(Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al)鈦合金是一種亞穩定β型高強鈦合金，它具有優異的冷加工成形特性，熱處理強化效果顯著，高溫瞬時性能好，而且焊接性能優良［1－2］。該合金是我國自主研制的高強高韌鈦合金，主要用于制造航天器的高壓容器、星箭解鎖裝置及高強度連接件等;尤其是TB2鈦合金帶材，作為航天器艙體的承力結構件而獲得應用［3］。然而由于TB2鈦合金成分比較復雜，工藝因素，特別是最終的熱處理工藝對合金的組織、性能有很大的影響［4］。

本實驗通過對厚度為0.8 mm的TB2鈦合金帶材的熱處理工藝研究，優化TB2鈦合金帶材熱處理工藝參數，以獲得具有良好綜合力學性能的TB2鈦合金帶材，為其工業化生產提供技術支持。

2 實驗

實驗材料為經真空電弧爐熔煉、鍛造、熱軋、冷軋等工序加工成厚度0.8 mm的TB2鈦合金帶材。分別在780、790、800、810℃ 4種不同溫度下，進行保溫時間為12 min的真空氣淬固溶處理，以優選固溶處理溫度。在優選的固溶溫度下，分別進行真空水淬、真空氣淬、空冷和爐冷4種冷卻方式的固溶處理，以優選固溶冷卻方式。最后，對固溶處理過的 TB2鈦合金帶材，分別進行460、480、500、520℃×8 h/FC時效處理，考察時效溫度對帶材組織和性能的影響。

熱處理后的TB2鈦合金帶材在Instron 1185拉伸試驗機上進行室溫拉伸性能測試;使用OLMPUS PMG光學顯微鏡進行顯微組織觀察。

3 結果與討論

3.1 固溶處理溫度對組織和力學性能的影響

圖1為厚度0.8 mm的TB2鈦合金帶材分別經過780、790、800、810℃ ×12 min真空氣淬固溶處理后的力學性能。由圖1可見，其抗拉強度為930～980 MPa，延伸率為22%～27%，抗拉強度與延伸率變化較小。相比之下，TB2鈦合金帶材的固溶溫度為800℃時，抗拉強度和延伸率均為最佳。

圖1 TB2鈦合金帶材經不同溫度固溶處理后的力學性能Fig.1 Mechanical properties of TB2 alloy strip at different temperature of ST

圖2為TB2鈦合金帶材經780℃和810℃固溶處理后的顯微組織。從圖2可以看出，固溶處理后的顯微組織均為單相等軸β組織;在780℃固溶，由于溫度較低，β晶界還沒有完全析出;在810℃固溶，不僅β晶界完全析出，而且等軸β晶粒較780℃固溶時已稍有長大，說明此時的固溶溫度已偏高，這與圖1中800℃固溶時力學性能較佳相對應。

圖2 TB2鈦合金帶材經不同溫度固溶處理后的顯微組織Fig.2 Microstructures of TB2 alloy strip at different temperature of ST

3.2 冷卻方式對顯微組織和力學性能的影響

根據3.1實驗結果，將0.8 mm厚的TB2鈦合金帶材加熱至800℃保溫12 min，然后分別采用真空水淬、真空氣淬、空冷、爐冷4種不同方式冷卻，處理后測得的力學性能見圖3。由圖3可見，真空氣淬、空冷、爐冷3種冷卻方式，隨著冷卻速率的加快，延伸率逐漸提高，抗拉強度有所下降;真空水淬與真空氣淬冷卻方式相比，延伸率相當，但抗拉強度高出約40 MPa。可見，真空水淬方式優于真空氣淬方式，但由于現有的真空水淬爐只能進行小批量生產，難以實現工業化生產［5］。

圖3 TB2鈦合金帶材經不同冷卻方式固溶處理后力學性能Fig.3 Mechanical properties of TB2 alloy strip at different cooling methods

圖4為真空氣淬、空冷、爐冷3種冷卻方式固溶處理的TB2鈦合金帶材的顯微組織。通過顯微組織觀察可見，空冷、氣淬均獲得了單相等軸β組織(圖4a、b)，且氣淬方式的β晶粒更細小;采用爐冷方式，在等軸β組織中已經有一些細小的第二相析出物(圖4c)，故其抗拉強度高達1090 MPa，而延伸率僅僅為6.5%。因此，從綜合力學性能及可操作性來看，對0.8 mm厚的TB2鈦合金帶材，宜采用真空氣淬方式進行固溶處理。

3.3 時效熱處理溫度對力學性能的影響

圖5為800℃×12 min/AQ固溶處理的0.8 mm厚TB2鈦合金帶材分別在460、480、500、520℃經過8 h保溫后爐冷時效處理后的力學性能。由圖5可見，時效溫度為480℃時的熱處理效果較好，其抗拉強度可達1250 MPa以上，延伸率達到18%以上，綜合力學性能達到最佳匹配。圖6是經480℃×8 h/FC時效處理后的顯微組織。該組織的等軸β晶粒內有均勻細小的彌散型α相析出物，從而保證了其有較高的強度和良好的塑性［6］。

圖4 TB2帶材經不同冷卻方式固溶處理后的顯微組織Fig.4 Microstructures of TB2 alloy strip at different cooling methods

圖5 TB2帶材經不同溫度時效處理后的力學性能Fig.5 Mechanical properties of TB2 alloy strip at different temperature of STA

圖6 480℃ ×8 h/FC時效處理后的顯微組織Fig.6 Microstructure of TB2 titanium alloy strip after 480℃×8 h/FC STA

4 結論

(1)固溶處理時，冷卻方式對TB2鈦合金帶材的力學性能影響較大。真空水淬與真空氣淬均能得到較高的綜合力學性能，但從可操作性來看，應采用真空氣淬的方式冷卻。

(2)TB2鈦合金帶材的較佳固溶溫度為800℃，經800℃×12 min真空氣淬固溶處理后，可獲得高的強度和延伸率。

(3)TB2鈦合金帶材的較佳時效溫度為480℃，經480℃×8 h/FC時效處理后，其抗拉強度可達1250 MPa以上，延伸率達到18%以上，組織中的等軸β晶粒內均勻分布著細小的α相。

［1］稀有金屬材料加工手冊書編寫組.稀有金屬材料加工手冊［M］.北京:冶金工業出版社，1985:791.

［2］盧佚，王儉，王紅武.熱處理對TB2鈦合金組織和性能的影響［J］.稀有金屬快報，2008，27(8):29－33.

［3］張翥，陳海珊.高強 TB2鈦合金箔材及其應用研究［C］//第六屆鈦及鈦合金會議文集編寫組.鈦科學與工程:第六屆鈦及鈦合金會議文集.北京:原子能出版社，1987:149.

［4］倪沛彤，韓明臣，張英明，等.空間用TB2鈦合金帶材的力學性能研究［J］.真空與低溫，2011(增刊2):231－234.

［5］冶金部有色金屬研究院.介穩定β型鈦合金TB2的研制［C］//第一屆鈦及鈦合金會議文集編輯小組.第一屆鈦及鈦合金會議文集.北京:有色金屬金屬研究院，1973:87－94.

［6］姚錦聲，王世洪.TB2合金等溫轉變的初步研究［C］//第四屆鈦及鈦合金會議文集編輯小組.第四屆鈦及鈦合金會議文集.北京:有色金屬金屬研究院，1983:322－328.