熱處理工藝對TB9鈦合金棒材組織和性能的影響

TB9鈦合金（名義成分為Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr）是一種亞穩(wěn)態(tài)β鈦合金，密度約4.8g/cm³，鉬當量約19.6，在730℃即可發(fā)生α→β相變，通過加工和熱處理后極限強度可達1400MPa以上［1］。TB9鈦合金具有密度低、強度高、耐蝕、冷加工和抗疲勞性能優(yōu)異等特點，還具有良好的冷加工變形能力，可大幅度縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本［２－4］。試驗研究了不同固溶溫度和時效溫度對TB9鈦合金顯微組織及力學性能的影響，以期能夠?qū)υ摵辖鸷罄m(xù)產(chǎn)品的生產(chǎn)和應用提供理論支持。

1、試驗方案

采用真空自耗電弧爐經(jīng)二次熔煉得到Φ360mmTB9合金鑄錠 ， 其化學成分見表１。

合金的相變溫度為730 ℃。 首先采用1250t快鍛機在1150 ℃進行開坯  獲得100mm的方棒，然后采用快鍛機在950℃下制得Φ50mm棒坯，最后采用125型橫列式軋機在軋制溫度為９00℃下制成Φ10mm的棒材。隨后分別進行固溶處理和時效處理，固溶溫度分別為780、810、840、870℃，保溫30min后水冷，固溶后分別在460、510、560℃時效12h后空冷。室溫拉伸性能在Ｉｎｓｔｒｏｎ5９85型拉伸試驗機上進行測試，顯微組織觀察在Ｏｌｙｍｐｕｓ光學顯微鏡和牛津SEM掃描電鏡上進行。

2、試驗結(jié)果與分析

2.1 固溶時效雙重處理對顯微組織和力學性能的影響

TB9鈦合金分別在780℃×0.5ｈ/WC、840℃×0.5ｈ/WC、870℃×0.5ｈ/WC三種工藝固溶處理，并 經(jīng)460℃×12ｈ/ＡＣ、510℃×12ｈ/ＡＣ和560℃×1２ｈ/ＡＣ時效處理后，顯微組織如圖1所示，拉伸 性能見表２。由表２可知，固溶溫度不僅能改變β相晶粒尺寸，而且影響后續(xù)時效合金中α相的析出行為。

時效溫度相同的條件下，隨著固溶溫度的升高，β相晶粒尺寸增加，抗拉強度和屈服強度呈下降趨勢，延伸率和面縮率變化較小；在相同固溶處理工藝條件下，隨著時效溫度的升高，β相晶粒尺寸增加，在高于510 ℃時效后，β相晶內(nèi)和晶界處出現(xiàn)了大量α析出相，導致抗拉強度和屈服強度顯著降低，延伸率和面縮率顯著提高。

2.2 固溶處理對合金斷裂行為的影響

經(jīng)軋制加工得到的TB9鈦合金棒材經(jīng)固溶時效處理后，微觀組織中晶內(nèi)析出α相并呈均勻分布。 研究表明，當時效處理為510℃×12ｈ/ＡＣ時，棒材具有較好的強塑性匹配，因此研究固溶處理對合金 斷裂行為研究時固定時效處理工藝為510℃×1２ｈ/ＡＣ不變。

TB9鈦合金棒材經(jīng)過780℃×0.5ｈ、840℃×0.5ｈ/WC和870℃×0.5ｈ/WC不同固溶處理再進行510℃× 12h/ＡＣ相同時效處理后，拉伸斷口形貌和ＳＥＭ組織如圖２所示，由圖２可知，隨著固溶溫度的增加 ，相同時效溫度處理的斷口形貌由韌窩狀塑性斷裂逐漸向脆性斷裂轉(zhuǎn)變，韌窩含量減小，沿晶斷裂的含量增 加［圖２（ａ）～（ｃ）］，這是因為隨著固溶溫度的增加，相同時效處理后晶內(nèi)和晶界α相的尺寸增加［ 圖２（ｅ）～（ｆ）］，變形過程中應力容易在晶界α相處集中，導致沿晶斷裂的發(fā)生。

3、結(jié)論

1）在時效溫度相同的條件下，隨著固溶溫度的升高，β相晶粒尺寸增加，抗拉強度和屈服強度呈下降趨勢，延伸率和面縮率變化較小。

2）在相同固溶處理工藝條件下 ，隨著時效溫度的升高，β相晶粒尺寸增加，在高于510℃時效后，β的升高，β相晶粒尺寸增加，在高于510℃時效后，β相晶內(nèi)和晶界處出現(xiàn)了大量α析出相，抗拉強度和屈服強度顯著降低，延伸率和面縮率顯著提高。

3)隨著固溶溫度的增加，相同時效溫度處理的斷口形貌由韌窩狀塑性斷裂逐漸向脆性斷裂轉(zhuǎn)變，韌窩含量減小，沿晶斷裂的含量增加。

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：化學出版社，２005.

［２］倪沛彤，韓明臣，張英明，等.宇航飛行器緊固件用鈦合金的發(fā)展［J］.鈦工業(yè)進展，２01２，29（3）：6－10.

［3］郭金明，任璐，倪沛彤，等.軋制溫度和熱處理對TB9鈦合金棒材組織和性能的影響［J］.鈦工業(yè)進展，２015，3２（5）：２7－30.

［4］顏照鵬，焦清洋，權(quán)純逸，等.TB9鈦合金彈簧制造工藝研究［J］.熱加工工藝，２0２２（6）：14２－145.