變形量和時(shí)效對(duì)TB9鈦合金絲材組織和性能影響

高文靜

（寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721000）

關(guān)鍵字：鈦合金；冷加工變形；時(shí)效處理

1 前言

TB9合金是一種亞穩(wěn)β鈦合金，其鉬當(dāng)量為16[1]，具有良好的耐腐蝕性、淬透性和室溫變形能力[2]。TB9鈦合金屬于高強(qiáng)鈦合金，通過合理的熱處理制度，其室溫抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1600MPa，因此被廣泛的應(yīng)用在航空高強(qiáng)結(jié)構(gòu)組件和彈簧中。TB9合金在普通時(shí)效過程中易出現(xiàn)α相分布不均勻，形成無α相析出的區(qū)域，被研究者稱為未沉淀區(qū)[3]或β斑（βfleck）[2]。α相無析出區(qū)對(duì)合金的力學(xué)性能特別是疲勞性能有顯著影響，國(guó)際和國(guó)內(nèi)大多采用雙級(jí)時(shí)效來使α相均勻彌散析出[3]。冷變形產(chǎn)生的缺陷有利于α相的均勻析出，而這方面的研究在國(guó)內(nèi)鮮有涉及。本文研究了冷拉拔變形量和冷變形后的時(shí)效處理溫度對(duì)TB9合金組織及性能的影響。

2 材料和實(shí)驗(yàn)方法

按TB9名義成分（Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr）配料、壓制電極，電極經(jīng)三次真空自耗熔煉制成合金鑄錠，鑄錠經(jīng)過開坯、鍛造、軋制，制成Φ10.0mm的盤圓絲材。絲材在800℃固溶30分鐘后分別采取以下處理方式：1）經(jīng)過0%，16%，30%，39%，49%，57%，64%，不同拉拔變形后，在真空爐中540℃時(shí)效8小時(shí)，空冷；2）經(jīng)過30%冷拉拔變形，分別在480℃、500℃、520℃、540℃、560℃、580℃溫度下真空時(shí)效8小時(shí)，空冷。

采用shimudz電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量不同冷拉拔變形量和不同熱處理制度TB9絲材的室溫拉伸性能；采用島津SSX-550鎢絲掃描電子顯微鏡觀察不同冷拉拔變形量和不同熱處理制度TB9絲材的顯微組織。

3 結(jié)果與分析

3.1 冷拉拔變形量對(duì)時(shí)效后TB9鈦合金性能及組織影響

圖1 不同拉拔量的TB9合金時(shí)效后室溫拉伸性能

圖2 不同時(shí)效溫度的TB9合金室溫拉伸性能

圖3 不同冷拉拔變形量的TB9合金時(shí)效后SEM照片（×6000）：（a）0%，（b）30%，（c）49%，（d）64%

圖1是TB9絲材經(jīng)不同冷拉拔變形量540℃/8h時(shí)效后的室溫拉伸性能。從圖中可以看出隨冷拉拔變形量的升高，強(qiáng)度逐漸升高，塑性呈下降趨勢(shì)。冷拉拔變形量從0%升高到64%，抗拉強(qiáng)度從1368MPa升高到1458MPa，升高90MPa，延伸率從12.4%降至8.4%。而未經(jīng)過時(shí)效的樣品，抗拉強(qiáng)度從1025MPa升高到1247MPa，升高222MPa，延伸率從16%降至3%。對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，時(shí)效處理消除了加工硬化的部分影響。當(dāng)拉拔量達(dá)到30%以上時(shí)，強(qiáng)化效果明顯，延伸率顯著下降，降至10%以下。拉拔量30%時(shí)強(qiáng)度和塑性配比適中，具有良好的拉伸性能。

圖3為不同拉拔變形量時(shí)效后TB9合金的顯微組織。由圖可以看出，TB9合金經(jīng)過冷變形后，原始β晶粒破碎，晶界嚴(yán)重變形扭曲，內(nèi)部產(chǎn)生大量缺陷，儲(chǔ)存很高的畸變能。經(jīng)過冷變形金屬再加熱到時(shí)效溫度時(shí)，析出與回復(fù)過程同時(shí)發(fā)生。析出將因冷加工而加速，析出相質(zhì)點(diǎn)將因冷變形而更加彌散。與此同時(shí)，析出相也阻礙多邊形化等回復(fù)過程[4]。因此，α相在β相中均勻彌散析出。隨著冷拉拔變形量的升高，α相有明顯長(zhǎng)大趨勢(shì)。這是由于冷拉拔儲(chǔ)存大量的畸變能，為相變提供驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)α相的形核和長(zhǎng)大。而時(shí)效過程中變形量大的樣品回復(fù)更加明顯，所以時(shí)效后抗拉強(qiáng)度的提高要明顯低于未時(shí)效前抗拉強(qiáng)度的提高。由圖（c），（d）可以看出變形量超過30%，晶界變形嚴(yán)重，回復(fù)過程不能消除加工硬化的影響，延伸率下降嚴(yán)重。

3.2 時(shí)效溫度對(duì)TB9鈦合金性能及組織影響

TB9合金力學(xué)性能對(duì)時(shí)效溫度非常敏感，圖3為TB9合金經(jīng)過不同溫度時(shí)效后拉伸性能。在480℃～580℃時(shí)效后，抗拉強(qiáng)度隨時(shí)效溫度明顯下降。強(qiáng)度從480℃的峰值1626MPa下降到580℃的1191MPa，強(qiáng)度下降約27%。延伸率隨時(shí)效溫度從8%升高到19.5%?？估瓘?qiáng)度隨溫度的變化基本上呈線性規(guī)律，從480℃開始每提高10℃，強(qiáng)度下降約35MPa。

圖4 不同時(shí)效溫度TB9合金SEM照片（×10000）：（a）480℃，（b）500℃，（c）520℃，（d）540℃，（e）560℃，（f）580℃

TB9合金不同溫度時(shí)效后組織如圖4。經(jīng)過30%冷變形，在480℃～580℃時(shí)效后，α相在β晶粒中均勻彌散析出。隨時(shí)效溫度升高，α相長(zhǎng)大明顯，長(zhǎng)度從納米級(jí)長(zhǎng)大到約0.5μm，析出量同時(shí)減小。較低溫時(shí)效時(shí)，α相尺寸小且密集分布在β晶粒內(nèi)，對(duì)位錯(cuò)有釘扎作用，阻礙位錯(cuò)的滑移，形成第二相粒子強(qiáng)化，強(qiáng)度達(dá)到1400MPa以上，塑性較差，如圖（a），（b），（c）。較高溫時(shí)效時(shí)，α相較粗大，間距增大，對(duì)位錯(cuò)釘扎作用減弱，位錯(cuò)更易滑移，所以強(qiáng)度下降，延伸率升高，如圖（d），（e），（f）。

4 結(jié)論

1）冷拉拔變形量可以促進(jìn)α相在β相中均勻彌散析出，提高抗拉強(qiáng)度，但是隨著拉拔量的增大，塑性下降明顯。拉拔量達(dá)到30%具有良好的拉伸性能。

2）α相在480-580℃隨時(shí)效溫度升高粗化明顯，抗拉強(qiáng)度隨之降低。