變形量和時效對TB9鈦合金絲材組織和性能影響

高文靜

（寶雞鈦業股份有限公司，陜西 寶雞 721000）

關鍵字：鈦合金；冷加工變形；時效處理

1 前言

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

2 材料和實驗方法

按TB9名義成分（Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr）配料、壓制電極，電極經三次真空自耗熔煉制成合金鑄錠，鑄錠經過開坯、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）經過0%，16%，30%，39%，49%，57%，64%，不同拉拔變形后，在真空爐中540℃時效8小時，空冷；2）經過30%冷拉拔變形，分別在480℃、500℃、520℃、540℃、560℃、580℃溫度下真空時效8小時，空冷。

采用shimudz電子萬能試驗機測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 結果與分析

3.1 冷拉拔變形量對時效后TB9鈦合金性能及組織影響

圖1 不同拉拔量的TB9合金時效后室溫拉伸性能

圖2 不同時效溫度的TB9合金室溫拉伸性能

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

圖1是TB9絲材經不同冷拉拔變形量540℃/8h時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，強度逐漸升高，塑性呈下降趨勢。冷拉拔變形量從0%升高到64%，抗拉強度從1368MPa升高到1458MPa，升高90MPa，延伸率從12.4%降至8.4%。而未經過時效的樣品，抗拉強度從1025MPa升高到1247MPa，升高222MPa，延伸率從16%降至3%。對比后發現，時效處理消除了加工硬化的部分影響。當拉拔量達到30%以上時，強化效果明顯，延伸率顯著下降，降至10%以下。拉拔量30%時強度和塑性配比適中，具有良好的拉伸性能。

圖3為不同拉拔變形量時效后TB9合金的顯微組織。由圖可以看出，TB9合金經過冷變形后，原始β晶粒破碎，晶界嚴重變形扭曲，內部產生大量缺陷，儲存很高的畸變能。經過冷變形金屬再加熱到時效溫度時，析出與回復過程同時發生。析出將因冷加工而加速，析出相質點將因冷變形而更加彌散。與此同時，析出相也阻礙多邊形化等回復過程[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相有明顯長大趨勢。這是由于冷拉拔儲存大量的畸變能，為相變提供驅動力，促進α相的形核和長大。而時效過程中變形量大的樣品回復更加明顯，所以時效后抗拉強度的提高要明顯低于未時效前抗拉強度的提高。由圖（c），（d）可以看出變形量超過30%，晶界變形嚴重，回復過程不能消除加工硬化的影響，延伸率下降嚴重。

3.2 時效溫度對TB9鈦合金性能及組織影響

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

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

TB9合金不同溫度時效后組織如圖4。經過30%冷變形，在480℃～580℃時效后，α相在β晶粒中均勻彌散析出。隨時效溫度升高，α相長大明顯，長度從納米級長大到約0.5μm，析出量同時減小。較低溫時效時，α相尺寸小且密集分布在β晶粒內，對位錯有釘扎作用，阻礙位錯的滑移，形成第二相粒子強化，強度達到1400MPa以上，塑性較差，如圖（a），（b），（c）。較高溫時效時，α相較粗大，間距增大，對位錯釘扎作用減弱，位錯更易滑移，所以強度下降，延伸率升高，如圖（d），（e），（f）。

4 結論

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

2）α相在480-580℃隨時效溫度升高粗化明顯，抗拉強度隨之降低。