熱處理對熱加工態TB2鈦合金顯微組織及力學性能的影響

李思蘭，侯智敏，尹雁飛，張鵬省，毛小南

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

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熱處理對熱加工態TB2鈦合金顯微組織及力學性能的影響

李思蘭，侯智敏，尹雁飛，張鵬省，毛小南

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

研究了常規固溶+時效、雙時效及固溶+預時效+時效處理對熱加工態TB2鈦合金顯微組織及力學性能的影響。顯微組織研究表明：通過增加低溫預時效工藝，可以使經熱處理后的TB2鈦合金中析出的次生α相較經常規固溶+時效處理后的更加均勻、細小。力學性能分析表明：經常規固溶+時效處理后，TB2鈦合金的塑性較好，但強度偏低；雙時效處理可以提高TB2鈦合金的強度，但塑性較差；固溶+預時效+時效處理后，TB2鈦合金的強度與塑性匹配良好。進一步熱處理工藝研究表明：經780 ℃×1 h/AC+350 ℃×6 h/AC+560 ℃×8 h/AC熱處理后，TB2鈦合金的強度與塑性達到最優匹配，抗拉強度為1 190 MPa，延伸率為14%。

TB2鈦合金；熱處理；預時效；顯微組織；力學性能

0 引 言

TB2鈦合金(Ti-3Al-5Mo-5V-8Cr)是一種亞穩β型鈦合金，具有冷成形性好、時效強度和斷裂韌性高、耐蝕性好、300 ℃下熱穩定性好等特點，常被制成航天航空用鉚釘、螺釘、螺栓等緊固件[1-4]，以及超速離心機轉頭、彈性元件、固體發動機殼體等零部件[5-6]。由于TB2鈦合金中β穩定元素含量較高，具有良好的熱處理強化效果，因此熱處理工藝對該合金顯微組織及力學性能的影響一直是研究的熱點[7-10]。楊文甲[11]、羅斌莉[12]分別對TB2鈦合金冷軋板材及絲材進行了熱處理研究。張翥[13]對1.5 mm冷軋TB2鈦合金板材進行了不同工藝的熱處理研究。他們都認為亞穩β相分解前形成的α穩定元素偏聚區是時效時α相的形核核心，可以通過預時效來改善亞穩β相分解時α相的非均勻析出，從而提高合金的綜合性能。

然而，在工業生產中，熱加工態TB2鈦合金與冷軋態TB2鈦合金具有同樣重要的應用地位，但已有的研究主要是針對冷軋態TB2鈦合金，而對其熱加工態的研究較少。如何保證熱加工態TB2鈦合金在滿足強度要求的同時達到較好的塑性，一直以來是實際生產中的難點。熱處理是優化合金顯微組織及力學性能的重要手段。由于熱加工態組織與冷軋態組織中的位錯等缺陷密度有很大的不同，其對熱處理的響應也有很大差別，關于該合金冷軋態的相關研究并不能有效指導其熱加工態的研究。因此，研究熱處理對熱加工態TB2鈦合金組織及性能的影響是十分必要的。

為此，本研究擬對熱加工態TB2鈦合金板材進行熱處理，分析固溶+時效、雙時效以及固溶+預時效+時效處理對該合金顯微組織及力學性能的影響，并進一步分析其強化機制，旨在獲得可使強度與塑性得到良好匹配的最佳熱處理制度。

1 實 驗

實驗所選用的TB2鈦合金鑄錠經三次真空自耗電弧熔煉獲得。經1 150、1 050 ℃兩火次開坯鍛造，980 ℃改鍛、750 ℃成形鍛造后得到尺寸約為80 mm×300 mm×500 mm的TB2鈦合金厚板，其鍛態顯微組織見圖1。

圖1 TB2鈦合金的鍛態顯微組織

對所得TB2鈦合金板材取φ10 mm×70 mm的室溫拉伸試樣及φ10 mm×20 mm的金相試樣，在箱式電阻爐中按表1所列的制度進行熱處理。表1中，TB2-1、TB2-2、TB2-3用于對比分析固溶+時效、雙時效及固溶+預時效+時效處理對合金顯微組織和力學性能的影響；TB2-3、TB2-4、TB2-5、TB2-6用于對比分析預時效次序、溫度及保溫時間對合金顯微組織和力學性能的影響。熱處理后，車去金相試樣表面氧化皮，經機械拋光后，采用HF+HNO3+H2O (體積比為1∶ 5∶ 50)腐蝕液浸蝕，通過OLYMPUS/PMG3光學顯微鏡(OM)和 OXFord INCI 掃描電鏡(SEM) 觀察顯微組織并拍照，分析不同熱處理工藝對合金微觀組織的影響。拉伸試驗在INSTRON 5982型試驗機上進行。

表1 TB2鈦合金的熱處理制度

2 結果與討論

2.1 不同熱處理制度對TB2鈦合金顯微組織的影響

亞穩β型鈦合金在時效過程中會析出大量次生α相，且α相的尺寸及彌散程度對合金力學性能有顯著影響，而通過合理的熱處理工藝，可以得到次生α相彌散分布的顯微組織，從而獲得強度與塑性的良好匹配。TB2鈦合金試樣經常規固溶+時效(TB2-1)、雙時效(TB2-2)、固溶+預時效+時效(TB2-3) 處理后其顯微組織如圖2所示。TB2鈦合金試樣經TB2-1處理后發生明顯的再結晶(圖2a)，與圖1中的鍛態組織相比其晶粒明顯細化。圖2a中還可見部分黑色析出區，進一步的SEM分析表明(圖 2d)，黑色區域的α析出相更加細密，而其余區域的α相呈針狀交錯分布，沿晶界有細長的無析出區，晶內也有大小不一的無析出區。圖3為TB2鈦合金經TB2-1處理后的SEM照片，可以觀察到次生α相呈雪花狀聚集。圖2b為經TB2-2處理后TB2鈦合金的顯微組織，與圖1相比可以看出，經雙時效處理后沒有發生明顯的靜態再結晶，晶粒粗大，晶界不明顯，且時效析出的次生α相均勻細小。進一步的SEM分析表明(圖2e)，顯微組織中無明顯晶界，析出物為細密的點狀或片狀次生α相，尺寸為納米級。經TB2-3處理后，試樣的顯微組織見圖2c、f。經該制度熱處理后晶粒明顯細化，次生α相尺寸介于固溶+時效熱處理與雙時效熱處理之間，晶界處析出大量取向一致的片狀次生α相，晶內彌散分布細小的次生α相。

固溶處理可以使TB2鈦合金發生充分的靜態再結晶，從而細化晶粒。但固溶會使位錯、空位等缺陷急劇減少，導致時效形核點減少。因此，與雙時效熱處理相比，常規固溶+時效熱處理后，次生α相數量大幅減小，尺寸明顯增加，析出不均勻。而固溶處理后，通過低溫預時效可以析出細小的次生α相，為后續的高溫時效提供形核點，使次生α相更加均勻的形核長大，從圖2d、f中可以明顯看出這一趨勢。雖然預時效可以有效增加形核點，但由于固溶導致位錯、空位等缺陷的急劇減少，因此其次生α相密度小于經雙時效熱處理的，如圖2e、f。

圖2 經不同制度熱處理后TB2鈦合金的金相照片及SEM照片

圖3 經TB2-1制度熱處理后TB2鈦合金的SEM照片

2.2 預時效處理對TB2鈦合金顯微組織的影響

分別調整TB2-3熱處理制度中的預時效順序(TB2-4)、溫度(TB2-5)及保溫時間(TB2-6)，觀察預時效對TB2鈦合金顯微組織的影響。圖4為經3種制度熱處理后得到不同放大倍數的TB2鈦合金金相照片。從圖4a、d可以看出，與常規固溶+時效相比(圖2a、d)，固溶前預時效后晶粒尺寸沒有明顯改變，次生α相尺寸有一定減小，均勻性有一定改善，但是無析出區依然存在。低溫預時效會使β基體上形成大量彌散細小的次生α相，這些相雖然會在高溫固溶時重新溶解，但由于次生α相析出而導致的合金元素偏聚并不會因高溫固溶的進行而完全消除，部分預時效形核點會在二次時效時優先形核，從而對次生α相的析出均勻性有一定改善，但是固溶處理前進行預時效處理對組織優化沒有明顯的效果。

經TB2-5處理的TB2鈦合金顯微組織(圖4b、e)中析出的次生α相尺寸相對較大，而數量少于經TB2-3處理的(圖2c、f)。這是由于在較高溫度預時效時，形核驅動能較低，形核率降低，但擴散能力升高，導致次生α相數量較少但尺寸偏大。

經TB2-6處理的TB2鈦合金顯微組織(圖4c、f)中次生α相的數量、形貌、尺寸等特征與經TB2-3處理的(圖2c、f)差別不大，說明時效析出已達到飽和，延長時效時間已不能達到優化組織的效果。

圖4 經不同制度熱處理后TB2鈦合金的金相照片

2.3 熱處理制度對TB2鈦合金室溫力學性能的影響

β型鈦合金的強度、塑性與晶粒尺寸及次生α相尺寸、分布、體積分數等因素密切相關。按表1中的熱處理制度處理后，TB2鈦合金的室溫力學性能如表2所示。

表2 TB2鈦合金的室溫力學性能

從表2可以看到，與經常規固溶+時效熱處理(TB2-1)后的試樣相比，經雙時效熱處理(TB2-2)后試樣強度顯著升高，但塑性較低，這是由于高溫固溶過程中，TB2鈦合金發生了充分的靜態再結晶，晶粒細化，從而顯著改善了合金的塑性。固溶后增加低溫預時效工藝(TB2-3)，在不降低塑性的情況下可以改善合金強度，這是由于增加的預時效工藝使次生α相更加均勻細小的析出。與經TB2-2處理后的試樣相比，經TB2-1和TB2-4處理后的試樣因為再結晶晶粒細化，合金塑性得到改善，但是由于次生α相析出不均勻，導致力學性能的一致性變差，從而影響整體的拉伸性能，特別是強度。然而，與TB2-1熱處理制度相比，雖然固溶前低溫預時效(TB2-4)對次生α相尺寸及均勻性有一定的改善，但不顯著。因此，經TB2-4熱處理制度處理后試樣的拉伸性能介于TB2-1、TB2-3之間。當提高低溫預時效溫度后(TB2-5)，次生α相數量減小、尺寸增加。因此，與經TB2-3制度處理后的試樣相比，強度和塑性有一定的降低。延長低溫預時效時間(TB2-6)，合金室溫拉伸性能同經TB2-3制度處理后的試樣相比，抗拉強度變化不明顯，但由于時效時間的延長，析出相已達到飽和狀態，部分析出的次生α相粗化，導致強度和塑性降低。

3 結 論

(1)TB2鈦合金分別經固溶+時效、固溶+預時效+時效以及雙時效處理后，α析出相細小彌散程度依次遞增。其中，對于固溶+預時效+時效工藝，提高預時效溫度可使次生α相尺寸增加、數量減少，而延長預時效時間后，顯微組織沒有明顯變化。

(2)TB2鈦合金經固溶+時效處理后，塑性較好、強度偏低；經雙時效處理后，強度較高、塑性較差；經固溶+預時效+時效處理后，強度與塑性匹配良好。

(3)經780 ℃×1 h/AC+350 ℃×6 h/AC+560 ℃×8 h/AC熱處理后，TB2鈦合金的強度與塑性達到最優匹配，其抗拉強度為1 190 MPa，延伸率為14%。

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國內外新聞

2014年日本鈦加工材出貨量及在各個領域用量

應用領域用量/t化工171建筑、土木70電解528醫療70汽車232應用領域用量/t船舶、海洋90海水淡化0生活消費品523航空666銷售業774應用領域用量/t電力221體育用品144板式換熱器1261其他151合計4901

何蕾編譯自《チタン》

Influence of Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of TB2 Titanium Alloy in Hot Working State

Li Silan, Hou Zhimin, Yin Yanfei, Zhang Pengsheng，Mao Xiaonan

(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016, China)

The influence of heat treatments on microstructure and mechanical properties of TB2 titanium alloy in hot working state which included solution+aging, double aging and solution+pre-aging+aging were compared in this research. The microstructure studies show that, adding pre-aging process at low temperature during conventional solution+aging treatment can result in more homogeneous and fine secondaryαphase. The mechanical analysis reveals that TB2 titanium alloy has good plasticity but low strength by conventional solution+aging treatment, while higher strength and poorer plasticity have been found by double aging treatment. However, solution+pre-aging+aging treatment can significantly improve the strength of TB2 titanium alloy, while the plasticity maintained. Further researches indicate that there is an optimal match between strength and plasticity by heat treatment of 780 ℃×1 h/AC+350 ℃×6 h/AC+560 ℃×8 h/AC, for which the strength can up to 1 190 MPa, and the elongation to 14%.

TB2 titanium alloy; heat treatment; pre-aging; microstructure; mechanical properties

2015-07-23

李思蘭(1988—)，女，助理工程師。

TG166.5

A

1009-9964(2015)06-0031-05