不同熱處理工藝對BT23鈦合金棒材顯微組織及力學性能的影響

馬元杰　劉繼雄　魏高燕　朱玉香

摘 要：文章研究了不同熱處理工藝對BT23（Ti-6Al-2Mo-4.5V-1Cr-0.7Fe）合金顯微組織及力學性能的影響。試驗結果表明，再結晶退火并不能強化BT23鈦合金，而固溶+時效熱處理可以起到明顯強化效果。隨著固溶溫度的提高，BT23合金強度及硬度提高，塑性及剪切強度下降。

關鍵詞：BT23合金；再結晶退火；固溶溫度；室溫拉伸；硬度；剪切強度；顯微組織

中圖分類號：TG1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）04-0103-03

Abstract： The effects of different heat treatment processes on the microstructure and mechanical properties of BT23 （Ti-6Al-2Mo-4.5V-1Cr-0.7Fe） alloy were studied. The results show that recrystallization annealing can not strengthen the BT23 titanium alloy， but solution+aging heat treatment can play a significant strengthening effect. With the increase of solution temperature， the strength and hardness of BT23 alloy increase， while the plasticity and shear strength decrease.

Keywords： BT23 alloy； recrystallization annealing； solution temperature； room temperature tensile； hardness； shear strength； microstructure

BT23合金，作為Ti-Al-Mo-4V-Cr-Fe系鈦合金中的典型牌號，其名義成分為Ti-6Al-2Mo-4.5V-1Cr-0.7Fe。是一種中等合金化的馬氏體型α+β鈦合金，由前蘇聯于1969年研制成功。由于含有大量的β穩定元素，壓力加工時具有高的工藝塑性和顯著的時效強化效應，該合金具有高強、高的抗裂性和良好的焊接性能。BT23鈦合金的使用狀態為退火和熱強化態（水淬+時效）。BT23鈦合金可制作半成品薄板、棒材、鍛件、模鍛件、管件和其他半成品。在前蘇聯已列入航空部門OCT標準中進行工業化生產，并在航空和航天部門獲得廣泛應用[1]。

BT23鈦合金當中，Al是鈦合金中最重要的固溶強化元素，可提高其室溫和高溫強度、α/β相變點，再結晶溫度、彈性模量等。若Al添加量超過7.5%，會導致α2（Ti3Al）相的析出，降低合金塑性、韌性及熱穩定性。Mo元素提高合金強度、耐熱性、耐蝕性和淬透性，且含量越高，淬透性越好。但Mo含量過大，易形成夾雜和偏析，對合金的塑性、抗氧化性和可焊性不利。V與β鈦形成無限固溶體，在α鈦中有限固溶，固溶度隨著溫度降低而略增加，不存在過飽和α相分解問題，可提高室溫強度、淬透性和冷成形性，而不降低合金的塑性，是中強和高強鈦合金最常用的添加元素。Cr元素在β鈦中無限固溶，在670℃發生β→α+TiCr共析轉變，主要起固溶強化作用，可提高合金的塑性、韌性和淬透性，但易偏析，形成β斑。Fe作為最強的慢共析β穩定元素，每添加1%的Fe，α/β相變點下降約18℃，可顯著提高鈦合金的淬透性。在590℃發生β→α+TiFe共析轉變，TiFe相析出會大幅降低合金的塑性、韌性。另外Fe易形成偏析和β斑等冶金缺陷。

BT23合金添加了適量的Al、Mo、V、Cr、Fe等合金元素，Mo當量為7.88，淬透性為2.89，達到了強化合金、提高淬透性的同時，避免了由于Mo、Cr、Fe元素的添加帶來的冶金缺陷。

本文通過研究不同熱處理工藝，對BT23鈦合金顯微組織、室溫拉伸、剪切強度、硬度等性能的影響，對小規格BT23棒材的生產具有重要意義。

1 試驗材料、設備及方法

試驗用料為寶雞鈦業股份有限公司生產的規格：Ф18mm軋制棒材，軋制溫度在β轉-40℃，變形量為85%左右。棒材化學成分如表1，β相變點的實測值為：910℃～920℃。原始棒材顯微組織如圖1所示。固溶時效熱處理制度如表2所示。

2 試驗結果及分析

不同熱處理工藝獲得的BT23合金棒材的顯微組織如圖2所示。從圖可以看出，再結晶退火相較熱加工態的BT23合金組織無明顯變化；但經固溶時效處理后，合金組織變化顯著，即較低溫度固溶并時效后，出現不連續的網狀α相，同時析出次生α相。隨著固溶溫度的升高，并經相同時效制度處理后，初生及次生α相逐漸減少。

2.1 熱處理工藝對顯微組織的影響（見圖2）

2.2 熱處理工藝對室溫力學性能的影響

不同熱處理工藝對合金室溫力學性能的影響見表3和圖3～6?？梢钥闯?，合金在進行再結晶退火時，會出現明顯的軟化，即強度、硬度降低，塑性提高的現象。合金經固溶時效處理后，強化效果明顯，在相同時效制度下，合金抗拉、屈服強度、硬度隨固溶溫度升高而升高，塑性、剪切強度隨固溶溫度升高而降低。

3 結論

兩相區軋制的小規格BT23合金棒材，再結晶退火不能強化合金，反而會使合金強度、硬度降低，塑性、剪切強度提高。在相同時效制度下，合金的強度、硬度隨固溶溫度的升高而升高，塑性、剪切強度則隨固溶溫度升高而降低。

參考文獻：

[1]萊茵斯C，皮特爾斯M.鈦及鈦合金[M].陳振華，譯.北京：化工出版社，2005：300.

[2]莫代謝耶夫.鈦合金在俄羅斯飛機及航空航天上的應用[M].董寶明，譯.北京：航空工業出版社，2008.