熱處理制度對TB3鈦合金棒組織及性能的影響

鈦合金是當(dāng)代飛機(jī)和航空發(fā)動機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料之一，對于減輕飛機(jī)的質(zhì)量,提高飛機(jī)推重比,增加飛行距離和減少燃料費(fèi)用等都具有十分重要的意義[1]。隨著我國航空航天事業(yè)的迅速發(fā)展,飛行器緊固件、彈性組件及主要承力結(jié)構(gòu)件對其材料的需求更為突出地集中于耐蝕、輕質(zhì)、高強(qiáng)，所以發(fā)展高強(qiáng)鈦合金材料及其加工工藝對我國航空航天工業(yè)的發(fā)展具有積極的推動作用。

TB3是一種可熱處理強(qiáng)化的亞穩(wěn)定β型鈦合金，該合金的主要優(yōu)點(diǎn)是固溶處理狀態(tài)具有優(yōu)異的冷成形性能，其冷鐓比(Dt/D0)可達(dá)2.8，固溶+時效制處理后可獲得高的強(qiáng)度，主要用于制造使用溫度低于300℃的1100MPa級以上高強(qiáng)度航空航天緊固件[2]。本文利用熱處理工藝影響組織、而組織又決定性能這一規(guī)律，通過制訂不同的熱處理制度研究了TB3鈦合金力學(xué)性能的變化規(guī)律。

1、實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用TB3鈦合金鑄錠由西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司自行生產(chǎn)，其化學(xué)成分符合GB/T3620.1-2007規(guī)定[3]。鑄錠經(jīng)β區(qū)和(α＋β)區(qū)加熱鍛造成準(zhǔn)100mm規(guī)格棒材，然后在(α＋β)區(qū)加熱軋制成準(zhǔn)16mm規(guī)格小棒，采用差熱分析法測定該合金的(α＋β)→β相變點(diǎn)為756℃。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

分別選定三種固溶溫度及三種時效溫度。TB3鈦合金棒材軋制完成后，切取試樣并按預(yù)先選定的熱處理制度進(jìn)行處理，選定熱處理制度見表1。

TB3鈦合金試樣按照以上表1中預(yù)先制訂的熱處理制度處理后，分別進(jìn)行了顯微組織觀察及力學(xué)性能試驗(yàn)。顯微組織觀察在Olympus/PMG3型光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行，室溫拉伸性能測試在INSTRON型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1TB3鈦合金顯微組織

TB3鈦合金試樣經(jīng)固溶及固溶+時效處理后顯微組織如圖1所示?？煽闯?，TB3鈦合金在(α＋β)→β轉(zhuǎn)變溫度以上固溶處理后，合金顯微組織為單一的β晶粒，隨固溶加熱溫度的升高，合金晶粒明顯長大，但晶內(nèi)殘余的第二相質(zhì)點(diǎn)數(shù)量明顯減少。TB3鈦合金固溶處理并時效處理后，合金顯微組織中β晶界及晶粒內(nèi)部均勻彌散析出大量的α相。

2.2TB3鈦合金力學(xué)性能

TB3鈦合金試樣經(jīng)不同熱處理制度處理后的室溫拉伸性能測試結(jié)果見表2。

分析表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，TB3鈦合金經(jīng)800、810和820℃固溶處理后，其抗拉強(qiáng)度隨固溶溫度升高而降低，塑性隨固溶溫度升高而升高。這主要是因?yàn)?，TB3鈦合金在(α＋β)→β轉(zhuǎn)變溫度以上進(jìn)行固溶處理時，隨固溶溫度的升高，合金的固溶度增大，其中殘存的第二相質(zhì)點(diǎn)越來越少(從不同溫度固溶后顯微組織照片可以明顯看出)，以致彌散強(qiáng)化作用也就越來越小，所以宏觀上表現(xiàn)為隨固溶溫度升高合金強(qiáng)度下降、塑性上升。

同時可以看出，TB3鈦合金在(α＋β)→β轉(zhuǎn)變溫度以上固溶處理后，可以獲得較高的強(qiáng)度和十分優(yōu)異的塑性，這十分有利于合金的冷加工，如標(biāo)準(zhǔn)件加工的冷鐓等。

分析表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)還可看出，TB3鈦合金經(jīng)810℃固溶，并經(jīng)530、540和550℃時效后，合金室溫拉伸性能與時效溫度的變化有著十分明顯的規(guī)律，隨時效溫度的升高，合金的抗拉強(qiáng)度明顯降低，從最高的1300MPa降至1210MPa，但合金塑性明顯增高，斷面收縮率從最低的29%增到最高的37%。這主要是隨時效溫度的升高，從β基體中析出的α相粗化，未沉淀區(qū)面積增大，晶界、晶內(nèi)網(wǎng)狀物析出現(xiàn)象減輕或消除，所以合金塑性增加[4]。但同時晶內(nèi)彌散質(zhì)點(diǎn)減少，彌散強(qiáng)化減弱，合金強(qiáng)度降低。

固溶溫度決定了組織中介穩(wěn)定β相(α'、α''、β過冷等)的成分和數(shù)量，對合金固溶狀態(tài)下的強(qiáng)度、塑性有較大影響，但時效溫度對最終產(chǎn)品性能的影響比固溶溫度更為敏感。因此，對于亞穩(wěn)定β型鈦合金而言，選擇時效溫度要慎之又慎。時效溫度太高，析出的α相粗大，強(qiáng)化效果差，而且高溫下合金中共析元素(Fe等)易出現(xiàn)共析反應(yīng)生成金屬間化合物，從而使合金變脆。時效溫度太低，轉(zhuǎn)變速度較慢，所需時效保溫時間長，時效時間太長容易形成硬度高、脆性大的ω相，又會使合金變脆。在530～550℃時效，每升降10℃所引起的抗拉強(qiáng)度平均降低35MPa左右?？梢姡瑢τ趤喎€(wěn)定β型鈦合金需選擇精度較高的電爐進(jìn)行時效處理，否則對性能波動較大。

可看出，TB3鈦合金在(α＋β)→β轉(zhuǎn)變溫度以上固溶處理后，可以獲得較高的強(qiáng)度和優(yōu)異的塑性，非常有利于合金的冷加工，合金在固溶并時效后，通過調(diào)整時效溫度的高低，可以獲得符合要求的強(qiáng)度、塑性匹配，以滿足不同服役條件的零件需求。

3、結(jié)論

(1)TB3鈦合金在(α＋β)→β轉(zhuǎn)變溫度以上固溶時，獲得的組織為單一的等軸β晶粒，且隨固溶溫度升高，合金強(qiáng)度降低、塑性升高。

(2)時效溫度對TB3鈦合金的室溫拉伸性能影響非常明顯，隨時效溫度的升高，合金強(qiáng)度明顯降低，但塑性顯著增加。

(3)TB3鈦合金經(jīng)800～820℃固溶后，具有較高的強(qiáng)度和優(yōu)異的塑性，經(jīng)550℃時效后，可獲得抗拉強(qiáng)度大于1200MPa，伸長率大于10%的優(yōu)異綜合性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]張利軍，田軍強(qiáng)，周中波，等．熱處理制度對TC21鈦合金鍛件組織及力學(xué)性能的影響[J]．中國材料進(jìn)展，2009，28(9-10)：84-87．

[2]中國航空材料手冊編輯委員會．中國航空材料手冊[M]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002．

[3]GB/T3620.1-2007．鈦及鈦合金牌號和化學(xué)成分[S]．

[4]王晶，韓洪武，閻彩文．熱處理對TB5板材組織和性能的影響[J]．稀有金屬材料與工程，2008，37(增刊3)：671-673．