時效處理對TB2 鈦合金棒材組織和力學性能的影響

文／劉宇舟，段曉輝，楊亞明，歐笑笑，葛金余·寶雞鈦業股份有限公司

本文研究了不同時效制度對TB2 鈦合金棒材整體熱處理后顯微組織和力學性能的影響。研究結果表明：TB2 鈦合金棒材在相同的單相區固溶處理后，隨著時效時長的增加，β 基體中析出的次生α 相含量及彌散程度不斷增加，室溫強度不斷升高，塑性指標緩慢下降；繼續增加時效時長，α 相含量及彌散程度達到一定峰值，室溫強度及塑性均呈下降趨勢，出現了“過時效”現象；經760℃×30min.WC ＋470℃×30h.AC 固溶時效處理后的棒材，可獲得最佳的強塑性匹配，力學性能可完全滿足航天特殊連接件的使用要求。

TB2 鈦 合 金(Ti-3Al-5Mo-5V-8Cr) 是 一 種 亞穩β 型鈦合金，具有冷成形性好、時效強度和斷裂韌度高、耐蝕性好、300℃下熱穩定性好等特點，常被制成航空航天用鉚釘、螺釘、螺栓等緊固件以及超速離心機轉頭、彈性元件、固體發動機殼體等零部件。

前期，于順兵對熱軋的TB2 方棒進行了熱處理制度的研究；李思蘭對熱軋的TB2 板材進行了熱處理制度研究；賀金宇對鍛造的TB2 棒材進行了熱處理制度研究。但以上研究均是采用了小試樣坯開展的熱處理和性能摸索。我公司在TB2 棒材工業化生產時，發現以上研究內容中的熱處理制度，在棒材采用整體熱處理時，實際性能水平與文中檢測數據存在較大的差異。本研究基于以上情況開展棒材整體熱處理試驗，以解決實際工業化生產中棒材整體熱處理后強度偏低、批次穩定性差、合格率低的問題。

試驗材料和方法

試驗用合金采用真空自耗電弧爐三次熔煉得到的φ600mm 鑄錠。鑄錠的化學成分如表1 所示，測定的相變點為(734±5)℃。鑄錠合金成分及雜質含量滿足GB/T 3620.1-2016 中成分要求，且頭尾成分均勻，一致性較好。

表1 TB2 鈦合金鑄錠化學成分(wt%)

鑄錠在β 相區加熱后進行開坯鍛造，再經多火次加熱和中間鍛造后，采用徑向鍛造機加工為φ60mm 棒材。棒材總鍛比大于10，多火次的加熱溫度逐火次降低。生產完成后切取長度(500±10)mm棒材進行整體熱處理，以消除尺寸效應對熱處理效果的影響，做到與實際工業生產過程一致。熱處理完成后按照執行標準要求，用線切割切取縱向樣條，試樣經過機加工后進行室溫拉伸性能及高倍組織檢測。采用INSTRON 68FM-100試驗機測試試樣的室溫拉伸性能，采用ZEISS Axiovert 200 MAT 光學顯微鏡觀察不同熱處理制度處理后的顯微組織。

前期研究表明，TB2 鈦合金在β 相區固溶時，得到亞穩定β 淬火組織，同時會存在少量初生α 相，在時效過程中，亞穩定β 相促進次生α 相析出，從而使TB2 鈦合金得到較好的時效強化效果。亞穩定β 相的數量會影響時效強化的效果。根據前期試驗結果，確定本次固溶制度為760℃×30min.WC，在此基礎上開展時效制度對比試驗。本試驗開展的棒材熱處理制度見表2。

表2 TB2 鈦合金棒材熱處理制度

結果與分析

本試驗的TB2 鈦合金棒材顯微組織照片如圖1 所示，室溫力學性能數據見表3。

圖1 TB2 鈦合金棒材顯微組織照片

表3 TB2 鈦合金棒材熱處理制度室溫拉伸力學性能

由圖1(a)可知，鍛造后的TB2 鈦合金棒材為明顯的β 型鈦合金加工組織，基體為單一的β 晶粒，經過多向自由鍛造后尺寸均勻一致，且晶粒球化效果良好。在晶界位置有α 相析出，但析出量較少，部分晶界未完全顯現。在晶界的交叉位置出現了一些小的晶粒，這是由于鍛造加熱溫度均在相變點以上，終鍛溫度相應較高，在隨后的空冷過程中，畸變能較高的晶界交叉位置發生回復和再結晶，這些小的晶粒就是再結晶晶粒。

由圖1(b)可知，經過單相區固溶處理后，晶內析出少量點狀α 相，對比組織照片圖1(a)和圖1(b)，晶粒尺寸和形貌無明顯變化，這是因為在固溶處理只是保留更多的亞穩定β 相，對其相的組成和形貌無明顯影響。

由圖1(c)可知，經過一段時間時效后，晶界首先析出大量取向一致的晶界α 相，晶界完全顯現出來。對比組織照片圖1(a)、圖1(b)、圖1(c)可知，時效開始后由α 相連接成的晶界更為清晰，且晶界尺寸變厚，在晶內出現更彌散分布的橫縱交錯的針狀α 相，局部形成雪花狀的聚集，α 相含量在15%，個別分散的晶粒內部已完全轉化為高度彌散的α 相。

由圖1(d)可知，隨著時效時間的繼續增長，晶界尺寸繼續變厚，晶內出現更多雪花狀的α 相聚集，α 相含量達到35%，已完全轉變為高度彌散α 相的晶粒數量持續增加，出現局部完全轉化晶粒相連狀態。

由圖1(e)可知，隨著時效時間的繼續增長，一半晶粒已完全轉變為高度彌散α 相的晶粒，出現多個完全轉化晶粒相連狀態，晶界已無法明確看出，個別未完全轉變的晶內，彌散的α 相已將晶內基本完全編織，α 相含量達到85%。

由圖1(f)可知，當時效時間到達50 小時時，所有晶?；旧隙纪瓿闪烁叨葟浬ⅵ?相轉化，個別位置出現無析出物區，α 相含量達到97%。

TB2 鈦合金的強度、塑性與晶粒尺寸及次生α相尺寸、分布、體積分數等因素密切相關。對6 組熱處理制度對應的室溫拉伸性能進行對比分析，結果如圖2 所示。

圖2 TB2 鈦合金棒材不同熱處理制度對室溫拉伸力學性能的影響

對比a 組和b 組的室溫拉伸力學性能，各項數據無明顯差異，這是由于鍛造生產在單相區溫度區間完成，在隨后的冷卻過程中只發生了回復和再結晶。因此，熱鍛后進行固溶處理對其性能影響不大。

繼續依次分析c ～f 組，隨著時效的開始，其強度數據開始上升，塑性指標開始下降，是因為該合金中加入了可與鈦形成連續固溶體的Mo、V 等合金元素以及可與鈦形成化合物的Al、Cr，因此其時效強化效果十分顯著。從時效開始到時效時長達到30 小時，棒材的室溫抗拉強度和屈服強度呈線性上升，斷后伸長率呈拋物線下降，斷面收縮緩慢降低。當時效時長達到30h 時，材料的強度強化效果達到峰值，穩定滿足航天特殊連接件的使用要求。繼續隨著時效時長的增加，析出相已達到飽和狀態，析出的次生α相粗化，導致最終強度和塑性均降低，出現了“過時效”現象。根據理論猜測，是由于該合金含有Cr，在長時間加熱過程中可能會發生共析轉變。由于試驗不具備檢測條件，所以暫時無法驗證。

結論

⑴TB2 鈦合金棒材在相同的單相區固溶處理后，隨著時效時長的增加，β 基體中析出的次生α 相含量及彌散程度不斷增加，室溫強度不斷升高，塑性指標緩慢下降。

⑵繼續增加時效時長，α 相含量及彌散程度達到一定峰值，室溫強度及塑性均呈下降趨勢，出現了“過時效”現象。

⑶經760℃×30min.WC ＋470℃×30h.AC 固溶時效處理后的棒材，可獲得最佳的強塑性匹配，力學性能可完全滿足航天特殊連接件的使用要求。