β晶粒尺寸及雙時(shí)效爐冷速率對(duì)TB3鈦合金組織與性能的影響

馬保飛，任 璐，高 婷，周立鵬

(西北有色金屬研究院， 陜西 西安 710016)

0 引 言

TB3鈦合金是西北有色金屬研究院于20世紀(jì)60代末研發(fā)的一種亞穩(wěn)β鈦合金。該合金的名義成分為T(mén)i-10Mo-8V-1Fe-3.5Al，其中添加了大量的β同晶元素Mo、V和少量的慢共析型元素Fe，既保證了時(shí)效后其良好的力學(xué)性能，同時(shí)避免了時(shí)效析出金屬間化合物使合金變脆[1]。通過(guò)熱處理可以使該合金獲得強(qiáng)度與斷裂韌性良好匹配的力學(xué)性能，用其制造的螺栓、鉚釘?shù)染o固件已從20世紀(jì)80年代開(kāi)始在我國(guó)航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[2-3]。

TB3鈦合金既可以進(jìn)行單時(shí)效處理，也可以進(jìn)行雙時(shí)效處理，不同熱處理方式可獲得不同的力學(xué)性能，以滿足不同的使用要求。何春燕等人[4]研究了固溶溫度及單時(shí)效溫度對(duì)TB3鈦合金組織及性能的影響，張英明等人[5]研究了雙時(shí)效溫度對(duì)TB3鈦合金組織及性能的影響，韓明臣等人[2]研究了固溶處理之后的冷卻速度對(duì)TB3鈦合金組織和性能的影響。然而除此之外，鮮見(jiàn)關(guān)于TB3鈦合金室溫力學(xué)性能是否對(duì)固溶保溫時(shí)間、預(yù)時(shí)效之后的爐冷速率具有敏感性的文獻(xiàn)報(bào)道。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)同一批材料在同一制度下熱處理，不同爐次間雙時(shí)效后力學(xué)性能波動(dòng)較大的現(xiàn)象，抗拉強(qiáng)度甚至相差100 MPa。本研究則主要探討固溶保溫時(shí)間以及雙時(shí)效過(guò)程中預(yù)時(shí)效爐冷速率對(duì)TB3鈦合金組織及力學(xué)性能的影響，旨在解決生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題，為生產(chǎn)中優(yōu)化TB3鈦合金熱處理工藝提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為經(jīng)3次真空自耗電弧熔煉的φ440 mm TB3鈦合金鑄錠，其化學(xué)成分如表1所示。鑄錠經(jīng)開(kāi)坯、鍛造、軋制得到φ8 mm的棒材。

表1 TB3鈦合金鑄錠化學(xué)成分(w/%)

Table 1 Chemical composition of TB3 titanium alloy ingot

在TB3鈦合金棒材上截取金相試樣和拉伸試樣，進(jìn)行不同制度的熱處理。其中，熱處理制度1#、2#、3#為800 ℃分別保溫5、30、60 min后空冷的固溶處理，通過(guò)延長(zhǎng)保溫時(shí)間的方式獲得不同β晶粒尺寸的顯微組織，研究β晶粒尺寸對(duì)固溶處理后力學(xué)性能的影響；熱處理制度4#、5#、6#為800 ℃分別固溶處理5、30、60 min空冷后再進(jìn)行550 ℃×16 h/AC單時(shí)效處理，研究β晶粒尺寸對(duì)時(shí)效處理后力學(xué)性能的影響；熱處理制度7#為800 ℃固溶30 min空冷后再進(jìn)行700 ℃×15 min/AC+550 ℃×16 h/AC雙時(shí)效處理，預(yù)時(shí)效后空冷可以當(dāng)作是爐冷速率的極限；熱處理制度8#、9#、10#為800 ℃×30 min/AC+700 ℃×15 min預(yù)時(shí)效后，分別經(jīng)過(guò)30、90、150 min爐冷至550 ℃，再進(jìn)行550 ℃×16 h/AC時(shí)效處理，研究預(yù)時(shí)效后冷卻速率對(duì)組織與性能的影響。采用Instron拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。采用Olympus光學(xué)顯微鏡對(duì)合金微觀組織進(jìn)行觀察，并按照GB/T 6394—2002標(biāo)準(zhǔn)對(duì)固溶處理試樣進(jìn)行晶粒度評(píng)級(jí)。

2 結(jié)果與分析

2.1 固溶處理對(duì)顯微組織與力學(xué)性能的影響

TB3鈦合金棒材加工態(tài)試樣與固溶處理試樣的金相照片見(jiàn)圖1。可以看出，TB3鈦合金棒材加工態(tài)組織為α+β雙相組織，即β晶粒基體上分布著大量未轉(zhuǎn)變的初生α相顆粒，并且β晶粒非常細(xì)小。經(jīng)800 ℃固溶處理后，得到了單相等軸β組織(圖1b～1d)。從圖1b可以看出，即使保溫時(shí)間只有5 min，初生α相也全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪啵⑶姚戮ЯＥc加工狀態(tài)相比有了明顯的長(zhǎng)大。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，β晶粒逐漸長(zhǎng)大，晶粒度由8級(jí)(圖1b)降為5.5級(jí)(圖1d)。

圖1 TB3鈦合金棒材加工態(tài)與固溶處理后的金相照片F(xiàn)ig.1 Metallographs of TB3 titanium alloy bars in working state and after solution treatment:(a)R state； (b)process 1#；(c)process 2#；(d)process 3#

表2為T(mén)B3鈦合金棒材加工態(tài)與固溶處理后的力學(xué)性能。由表2可見(jiàn)，加工態(tài)試樣的強(qiáng)度與塑性匹配最好，這與加工態(tài)試樣β晶粒的尺寸有關(guān)。軋制后析出的大量初生α相對(duì)TB3鈦合金的力學(xué)性能影響并不大。同時(shí)可以看出，隨著β晶粒尺寸的長(zhǎng)大，抗拉強(qiáng)度逐漸降低，而延伸率和斷面收縮率變化不大，這說(shuō)明固溶狀態(tài)下TB3鈦合金延伸率和斷面收縮率對(duì)β晶粒尺寸并不敏感。

表2 TB3鈦合金棒材加工態(tài)與固溶處理后的力學(xué)性能

Table 2 Mechanical prosperities of TB3 titanium alloy bars at R state and after solution treatment

2.2 時(shí)效處理對(duì)顯微組織與力學(xué)性能的影響

圖2為經(jīng)固溶處理后的TB3鈦合金棒材再經(jīng)單時(shí)效處理和雙時(shí)效處理后的金相照片。由圖2a～2c可見(jiàn)，單時(shí)效處理后TB3鈦合金棒材顯微組織為β相基體上彌散分布著大量的α相，α相在晶界和晶內(nèi)均有析出。對(duì)比圖1可以看出，單時(shí)效處理后β晶粒并沒(méi)有長(zhǎng)大，晶粒大小維持在固溶處理之后的級(jí)別。從圖2d～2g可以看出，雙時(shí)效處理后TB3鈦合金顯微組織中的晶界附近出現(xiàn)無(wú)析出物區(qū)，且預(yù)時(shí)效后爐冷速率越慢，晶界的無(wú)析出物區(qū)越明顯。這是因?yàn)樵陬A(yù)時(shí)效處理及之后的爐冷過(guò)程中，β固溶體中晶界附近的空位大量向晶界逃逸，空位濃度降低，使得α相形核率降低，從而形成了晶界兩側(cè)的無(wú)析出物區(qū)；爐冷速率越慢，冷卻時(shí)間越長(zhǎng)，晶界無(wú)析出物區(qū)越寬。

圖2 TB3鈦合金棒材固溶+時(shí)效處理后的金相照片F(xiàn)ig.2 Metallographs of TB3 titanium alloy bars after solution and aging treatment:(a)process 4#;(b)process 5#;(c)process 6#; (d)process 7#;(e)process 8#;(f)process 9#;(g)process 10#

圖3為T(mén)B3鈦合金試樣經(jīng)固溶+時(shí)效處理后的力學(xué)性能。從圖3a可以看出,隨著試樣固溶處理時(shí)保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，即隨β晶粒的長(zhǎng)大，單時(shí)效后塑性指標(biāo)呈下降趨勢(shì)，但抗拉強(qiáng)度變化不明顯。產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要與亞穩(wěn)β鈦合金的時(shí)效強(qiáng)化機(jī)理有關(guān)：亞穩(wěn)定β鈦合金在時(shí)效時(shí)析出α相，α相彌散分布在β基體上形成沉淀相，沉淀相可以有效地阻止位錯(cuò)和晶界的運(yùn)動(dòng)，從而提高合金的強(qiáng)度，這種強(qiáng)化方式對(duì)TB3鈦合金時(shí)效后的抗拉強(qiáng)度起到了決定性作用。由于固溶后進(jìn)行同樣的單時(shí)效處理，即在同一溫度下保溫相同時(shí)間，α相的形核與長(zhǎng)大所處的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)條件一致。時(shí)效處理后，α相的析出數(shù)量、形態(tài)與分布一致，故時(shí)效強(qiáng)化效果也位于同一水平，所以抗拉強(qiáng)度并沒(méi)有因?yàn)棣戮ЯｉL(zhǎng)大而發(fā)生明顯變化。延伸率與斷面收縮率隨固溶處理時(shí)保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，這一現(xiàn)象與β晶粒長(zhǎng)大有直接關(guān)系。也就是說(shuō)TB3鈦合金的時(shí)效強(qiáng)度對(duì)β晶粒尺寸不敏感，而β晶粒尺寸對(duì)塑性指標(biāo)有較大的影響。

圖3 TB3鈦合金棒材經(jīng)固溶+時(shí)效處理后的力學(xué)性能Fig.3 Mechanical prosperities of TB3 titanium alloy bars after solution and aging treatment：(a)single aging；(b)double aging

從圖3b可以看出，經(jīng)雙時(shí)效處理后試樣的抗拉強(qiáng)度相對(duì)于單時(shí)效而言有所降低，而延伸率與斷面收縮率升高，并且隨著預(yù)時(shí)效后爐冷速率的減慢，抗拉強(qiáng)度逐漸降低，延伸率與斷面收縮率逐漸升高，造成這一現(xiàn)象主要有以下2方面原因。一方面，由于700 ℃預(yù)時(shí)效及隨后的爐冷過(guò)程中會(huì)析出α相，溫度越高析出的α相越粗大，對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)越小。爐冷速率越慢，試樣在高溫下停留的時(shí)間越長(zhǎng)，析出的粗大α相數(shù)量越多，并且在整個(gè)時(shí)效過(guò)程中析出α相數(shù)量是相對(duì)一定的，爐冷過(guò)程析出的粗大α相越多，則在550 ℃長(zhǎng)時(shí)間保溫時(shí)析出的具有更好強(qiáng)化作用的α相就會(huì)減少。另一方面，雙時(shí)效時(shí)晶界會(huì)出現(xiàn)無(wú)析出物區(qū)，爐冷速率越慢，晶界的無(wú)析出物區(qū)越寬，而晶界的無(wú)析出物區(qū)會(huì)降低材料的強(qiáng)度，提高材料的塑性。

在以往的生產(chǎn)實(shí)踐中，在同一熱處理制度下對(duì)同一批TB3鈦合金材料進(jìn)行熱處理，不同爐次間力學(xué)性能波動(dòng)較大，其原因正是由于不同爐次間爐冷速率不同。

3 結(jié) 論

(1)固溶處理TB3鈦合金時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)β晶粒尺寸逐漸長(zhǎng)大，抗拉強(qiáng)度逐漸降低，而延伸率和斷面收縮率變化不大。

(2)β晶粒尺寸對(duì)單時(shí)效后的抗拉強(qiáng)度影響不大，而延伸率與斷面收縮率隨晶粒的增大而降低。

(3)雙時(shí)效過(guò)程中預(yù)時(shí)效爐冷速率越慢，抗拉強(qiáng)度越低，延伸率與斷面收縮率越好。

[1] 朱玉斌，張樹(shù)啟，謝麗英．時(shí)效預(yù)處理對(duì)Ti-22合金組織和力學(xué)性能的影響[J]．稀有金屬材料與工程，1989，18(3)：16-22．

[2] 韓明臣，倪沛彤，舒瀅，等．冷卻速度對(duì)TB3 合金組織和性能的影響[J]．稀有金屬材料與工程，2008，37(增刊4)：655-657．

[3] 中國(guó)航空材料手冊(cè)編輯委員會(huì)．中國(guó)航空材料手冊(cè)[M]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001．

[4] 何春艷，葉紅川，曲恒磊，等. 熱處理制度對(duì)TB3鈦合金組織及性能的影響[J].熱加工工藝，2011，40(20)：181-182,185．

[5] 張英明，韓明臣，倪沛彤，等.熱處理對(duì)TB3鈦合金棒材組織和性能的影響[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2010，27(6)：30-33．