熱處理制度對TB3鈦合金棒組織及性能的影響

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

TB3是一種可熱處理強化的亞穩定β型鈦合金，該合金的主要優點是固溶處理狀態具有優異的冷成形性能，其冷鐓比(Dt/D0)可達2.8，固溶+時效制處理后可獲得高的強度，主要用于制造使用溫度低于300℃的1100MPa級以上高強度航空航天緊固件[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律，通過制訂不同的熱處理制度研究了TB3鈦合金力學性能的變化規律。

1、實驗材料及方法

1.1實驗材料

實驗用TB3鈦合金鑄錠由西部鈦業有限責任公司自行生產，其化學成分符合GB/T3620.1-2007規定[3]。鑄錠經β區和(α＋β)區加熱鍛造成準100mm規格棒材，然后在(α＋β)區加熱軋制成準16mm規格小棒，采用差熱分析法測定該合金的(α＋β)→β相變點為756℃。

1.2實驗方法

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，切取試樣并按預先選定的熱處理制度進行處理，選定熱處理制度見表1。

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

2、實驗結果與分析

2.1TB3鈦合金顯微組織

TB3鈦合金試樣經固溶及固溶+時效處理后顯微組織如圖1所示。可看出，TB3鈦合金在(α＋β)→β轉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，但晶內殘余的第二相質點數量明顯減少。TB3鈦合金固溶處理并時效處理后，合金顯微組織中β晶界及晶粒內部均勻彌散析出大量的α相。

2.2TB3鈦合金力學性能

TB3鈦合金試樣經不同熱處理制度處理后的室溫拉伸性能測試結果見表2。

分析表2試驗數據可看出，TB3鈦合金經800、810和820℃固溶處理后，其抗拉強度隨固溶溫度升高而降低，塑性隨固溶溫度升高而升高。這主要是因為，TB3鈦合金在(α＋β)→β轉變溫度以上進行固溶處理時，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點越來越少(從不同溫度固溶后顯微組織照片可以明顯看出)，以致彌散強化作用也就越來越小，所以宏觀上表現為隨固溶溫度升高合金強度下降、塑性上升。

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

分析表2試驗數據還可看出，TB3鈦合金經810℃固溶，并經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律，隨時效溫度的升高，合金的抗拉強度明顯降低，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，未沉淀區面積增大，晶界、晶內網狀物析出現象減輕或消除，所以合金塑性增加[4]。但同時晶內彌散質點減少，彌散強化減弱，合金強度降低。

固溶溫度決定了組織中介穩定β相(α'、α''、β過冷等)的成分和數量，對合金固溶狀態下的強度、塑性有較大影響，但時效溫度對最終產品性能的影響比固溶溫度更為敏感。因此，對于亞穩定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，強化效果差，而且高溫下合金中共析元素(Fe等)易出現共析反應生成金屬間化合物，從而使合金變脆。時效溫度太低，轉變速度較慢，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℃所引起的抗拉強度平均降低35MPa左右。可見，對于亞穩定β型鈦合金需選擇精度較高的電爐進行時效處理，否則對性能波動較大。

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

3、結論

(1)TB3鈦合金在(α＋β)→β轉變溫度以上固溶時，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，合金強度明顯降低，但塑性顯著增加。

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

參考文獻：

[1]張利軍，田軍強，周中波，等．熱處理制度對TC21鈦合金鍛件組織及力學性能的影響[J]．中國材料進展，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：中國標準出版社，2002．

[3]GB/T3620.1-2007．鈦及鈦合金牌號和化學成分[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．