β21s鈦合金薄板不同熱處理性能的研究

黃杰+張玲玲+劉智宇+陳永輝+高飛+王勤波+王娟華+王紅武

摘 要： β21s鈦合金是一種具有較高強度且具有較高抗氧化性能的亞穩態β型鈦合金。文章主要研究了幾種固溶處理及固溶時效處理制度對于1.0mmβ21s鈦合金板材性能的影響。結果表明，β21s經過830℃～850℃/30min AC熱處理即可達到固溶處理效果。固溶后的β21s具有800～1000MPa的抗拉強度以及良好的塑性延伸率。再經過時效處理后，β21s鈦合金板材強度可以達到1250MPa以上，且仍具有4%以上的延伸率。

關鍵詞：β21s；固溶溫度；固溶時效；力學性能

鈦及鈦合金具有低密度、比強度高的特點，已廣泛應用于航空航天領域。β21s鈦合金的名義化學成分為 Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.25Si ，具有優良的冷熱加工性能和冷成型性能，而該合金是目前唯一加入Si元素的β型鈦合金，其抗氧化性能極其優良，是常用的β型鈦合金Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn 合金的100倍。

本文著重研究β21s鈦合金的固溶處理及固溶時效處理后的性能，為該合金在后續的應用領域提供了一定的技術參考。

1 試驗

實驗所采用的材料是寶鈦集團生產的，經過三次真空自耗電弧爐熔煉得到的鑄錠。經測試，其α+β/β相轉變溫度為820℃。鑄錠在經過高溫鍛造，中間熱軋，最終由四輥可逆軋機軋出成品，成品厚度為1.0mm冷軋板材。

在成品板材上切取試樣，進行不同的固溶時效的熱處理試驗，固溶溫度分別為800℃/30min、830℃/30min、850℃/30min，時效溫度分別為537℃/8h AC、580℃/8h AC、593℃/8h AC、640℃/8h AC。

2 結果與討論

2.1 固溶處理后的力學性能及組織

β21s鈦合金板材經過800℃/30min AC、830℃/30min AC、850℃/30min AC 固溶處理后的力學性能見表1：

β21s鈦合金纖維組織照片見圖1-圖3。

2.2 板材固溶結果分析

從圖1-圖3中的顯微組織和表1中的數據分析，可以得出，β21s合金板材在相變點以下的溫度進行固溶時，其組織晶粒僅僅只是發生回復現象，并未發生再結晶，依然為纖維組織，雖然強度有一定的降低，但塑性較軋態改善不是很大。而在相變點以上進行固溶時，晶粒發生了明顯的再結晶，隨著固溶溫度的提高，晶粒長大明顯。但強度在不同溫度固溶時，變化不是很明顯，但塑性隨著溫度的升高，增加趨勢明顯。

2.3 固溶時效后板材的力學性能

冷軋β21s板材在經過830℃/30min AC固溶處理后再經過時效處理。因為β21s鈦合金在時效溫度低于500℃時極易析出脆性相ω相，因此試驗選的時效溫度參考國外同類產品要求，時效制度分別選取537℃/8h AC、580℃/8h AC、593℃/8h AC、640℃/8h AC，其測試結果見表2：

2.4 固溶時效后板材的力學性能結果分析

從表2中我們可以看出隨著時效溫度的不斷提高，β21s板材的力學性能逐步下降，而塑性不斷提高。

我們認為β21s是亞穩態β型鈦合金，因此我們認為當板材進行時效時會令亞穩定β相分解造成彌散強化，令強度提高塑性下降，而隨著時效溫度的不斷提高，板材晶粒逐步長大，因此造成強度降低而塑性提高。

3 結束語

（1）β21s鈦合金在經過830℃～850℃/30min AC的熱處理即可實現完全固溶處理，固溶處理后有900MPa的高強度及8%的延伸率，強度-塑性性能優異。

（2）β21s鈦合金在固溶時效狀態下可以達到1250MPa以上的高強度和大于4%的延伸率，隨著時效溫度的提高，強度下降，塑性提高。