时效处理对TB2,钛合金棒材组织和力学性能的影响

文／刘宇舟，段晓辉，杨亚明，欧笑笑，葛金余·宝鸡钛业股份有限公司

本文研究了不同时效制度对TB2 钛合金棒材整体热处理后显微组织和力学性能的影响。研究结果表明：TB2 钛合金棒材在相同的单相区固溶处理后，随着时效时长的增加，β 基体中析出的次生α 相含量及弥散程度不断增加，室温强度不断升高，塑性指标缓慢下降；
继续增加时效时长，α 相含量及弥散程度达到一定峰值，室温强度及塑性均呈下降趋势，出现了“过时效”现象；
经760℃×30min.WC ＋470℃×30h.AC 固溶时效处理后的棒材，可获得最佳的强塑性匹配，力学性能可完全满足航天特殊连接件的使用要求。

TB2 钛 合 金(Ti-3Al-5Mo-5V-8Cr) 是 一 种 亚稳β 型钛合金，具有冷成形性好、时效强度和断裂韧度高、耐蚀性好、300℃下热稳定性好等特点，常被制成航空航天用铆钉、螺钉、螺栓等紧固件以及超速离心机转头、弹性元件、固体发动机壳体等零部件。

前期，于顺兵对热轧的TB2 方棒进行了热处理制度的研究；
李思兰对热轧的TB2 板材进行了热处理制度研究；
贺金宇对锻造的TB2 棒材进行了热处理制度研究。但以上研究均是采用了小试样坯开展的热处理和性能摸索。我公司在TB2 棒材工业化生产时，发现以上研究内容中的热处理制度，在棒材采用整体热处理时，实际性能水平与文中检测数据存在较大的差异。本研究基于以上情况开展棒材整体热处理试验，以解决实际工业化生产中棒材整体热处理后强度偏低、批次稳定性差、合格率低的问题。

试验用合金采用真空自耗电弧炉三次熔炼得到的φ600mm 铸锭。铸锭的化学成分如表1 所示，测定的相变点为(734±5)℃。铸锭合金成分及杂质含量满足GB/T 3620.1-2016 中成分要求，且头尾成分均匀，一致性较好。

表1 TB2 钛合金铸锭化学成分(wt%)

铸锭在β 相区加热后进行开坯锻造，再经多火次加热和中间锻造后，采用径向锻造机加工为φ60mm 棒材。棒材总锻比大于10，多火次的加热温度逐火次降低。生产完成后切取长度(500±10)mm棒材进行整体热处理，以消除尺寸效应对热处理效果的影响，做到与实际工业生产过程一致。热处理完成后按照执行标准要求，用线切割切取纵向样条，试样经过机加工后进行室温拉伸性能及高倍组织检测。采用INSTRON 68FM-100试验机测试试样的室温拉伸性能，采用ZEISS Axiovert 200 MAT 光学显微镜观察不同热处理制度处理后的显微组织。

前期研究表明，TB2 钛合金在β 相区固溶时，得到亚稳定β 淬火组织，同时会存在少量初生α 相，在时效过程中，亚稳定β 相促进次生α 相析出，从而使TB2 钛合金得到较好的时效强化效果。亚稳定β 相的数量会影响时效强化的效果。根据前期试验结果，确定本次固溶制度为760℃×30min.WC，在此基础上开展时效制度对比试验。本试验开展的棒材热处理制度见表2。

表2 TB2 钛合金棒材热处理制度

本试验的TB2 钛合金棒材显微组织照片如图1 所示，室温力学性能数据见表3。

图1 TB2 钛合金棒材显微组织照片

表3 TB2 钛合金棒材热处理制度室温拉伸力学性能

由图1(a)可知，锻造后的TB2 钛合金棒材为明显的β 型钛合金加工组织，基体为单一的β 晶粒，经过多向自由锻造后尺寸均匀一致，且晶粒球化效果良好。在晶界位置有α 相析出，但析出量较少，部分晶界未完全显现。在晶界的交叉位置出现了一些小的晶粒，这是由于锻造加热温度均在相变点以上，终锻温度相应较高，在随后的空冷过程中，畸变能较高的晶界交叉位置发生回复和再结晶，这些小的晶粒就是再结晶晶粒。

由图1(b)可知，经过单相区固溶处理后，晶内析出少量点状α 相，对比组织照片图1(a)和图1(b)，晶粒尺寸和形貌无明显变化，这是因为在固溶处理只是保留更多的亚稳定β 相，对其相的组成和形貌无明显影响。

由图1(c)可知，经过一段时间时效后，晶界首先析出大量取向一致的晶界α 相，晶界完全显现出来。对比组织照片图1(a)、图1(b)、图1(c)可知，时效开始后由α 相连接成的晶界更为清晰，且晶界尺寸变厚，在晶内出现更弥散分布的横纵交错的针状α 相，局部形成雪花状的聚集，α 相含量在15%，个别分散的晶粒内部已完全转化为高度弥散的α 相。

由图1(d)可知，随着时效时间的继续增长，晶界尺寸继续变厚，晶内出现更多雪花状的α 相聚集，α 相含量达到35%，已完全转变为高度弥散α 相的晶粒数量持续增加，出现局部完全转化晶粒相连状态。

由图1(e)可知，随着时效时间的继续增长，一半晶粒已完全转变为高度弥散α 相的晶粒，出现多个完全转化晶粒相连状态，晶界已无法明确看出，个别未完全转变的晶内，弥散的α 相已将晶内基本完全编织，α 相含量达到85%。

由图1(f)可知，当时效时间到达50 小时时，所有晶粒基本上都完成了高度弥散α 相转化，个别位置出现无析出物区，α 相含量达到97%。

TB2 钛合金的强度、塑性与晶粒尺寸及次生α相尺寸、分布、体积分数等因素密切相关。对6 组热处理制度对应的室温拉伸性能进行对比分析，结果如图2 所示。

图2 TB2 钛合金棒材不同热处理制度对室温拉伸力学性能的影响

对比a 组和b 组的室温拉伸力学性能，各项数据无明显差异，这是由于锻造生产在单相区温度区间完成，在随后的冷却过程中只发生了回复和再结晶。因此，热锻后进行固溶处理对其性能影响不大。

继续依次分析c ～f 组，随着时效的开始，其强度数据开始上升，塑性指标开始下降，是因为该合金中加入了可与钛形成连续固溶体的Mo、V 等合金元素以及可与钛形成化合物的Al、Cr，因此其时效强化效果十分显著。从时效开始到时效时长达到30 小时，棒材的室温抗拉强度和屈服强度呈线性上升，断后伸长率呈抛物线下降，断面收缩缓慢降低。当时效时长达到30h 时，材料的强度强化效果达到峰值，稳定满足航天特殊连接件的使用要求。继续随着时效时长的增加，析出相已达到饱和状态，析出的次生α相粗化，导致最终强度和塑性均降低，出现了“过时效”现象。根据理论猜测，是由于该合金含有Cr，在长时间加热过程中可能会发生共析转变。由于试验不具备检测条件，所以暂时无法验证。

⑴TB2 钛合金棒材在相同的单相区固溶处理后，随着时效时长的增加，β 基体中析出的次生α 相含量及弥散程度不断增加，室温强度不断升高，塑性指标缓慢下降。

⑵继续增加时效时长，α 相含量及弥散程度达到一定峰值，室温强度及塑性均呈下降趋势，出现了“过时效”现象。

⑶经760℃×30min.WC ＋470℃×30h.AC 固溶时效处理后的棒材，可获得最佳的强塑性匹配，力学性能可完全满足航天特殊连接件的使用要求。

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