航空航天飞行器用高强韧TB8钛合金棒材的热处理制度

TB8钛合金以其高比强度、优异的冷加工性、高抗氧化性和良好的抗腐蚀能力，在航空航天飞行器超高强度紧固件、弹性组件及结构件中被广泛应用［1-2］。

通过固溶时效热处理工艺对其组织进行调控可以显著影响TB8钛合金的力学性能。近年来，学者对紧固件用TB8钛合金做了大量研究，张利军等［3］研究了1300MPa级、伸长率为5%的超高强度TB8钛合金热处理工艺;马权等［4］提出双态区固溶+时效后可以使TB8钛合金保持较好的塑形，此时时效强度为1150MPa。随着我国航空航天事业的迅速发展，对紧固件用TB8钛合金材料的性能指标提出了更高的要求。研究表明，TB8钛合金在获得高强度的同时其塑性也受到了限制，塑性增加后又无法满足超高强度的性能要求，因此，研究综合性能优异的高强韧紧固件用TB8钛合金具有重要意义。

本文研究了不同固溶时效热处理制度对TB8钛合金棒材组织及性能的影响规律，提出了高强韧TB8钛合金棒材的固溶时效热处理制度，为TB8钛合金棒材工程应用热处理工艺的选择提供参考。

1、试验材料及方法

1.1试验材料

试验材料选用经过3次真空自耗电弧炉熔炼而成的TB8钛合金铸锭，化学成分如表1所示。铸锭经锻造+轧制工艺制备出规格为φ15mm的钛合金棒材，热加工态显微组织如图1所示，主要为α+β两相区变形组织。

1.2试验方法

对TB8钛合金棒材进行固溶处理，固溶温度800、850、890℃，保温时间10、30、60和120min，水冷(WQ);在最优固溶工艺的基础上对其进行时效处理，时效温度520℃，保温时间4、6、8、10、12h，空冷(AC)。分析固溶温度及保温时间对TB8棒材组织及性能的影响规律，分析时效热处理中不同保温时间TB8棒材的组织及性能变化。热处理前后TB8钛合金棒材的显微组织采用OlympusPMG-3型显微镜进行观察，采用INSTＲON电子万能试验机对其室温拉伸性能进行测试。

2、试验结果及讨论

2.1固溶温度对TB8钛合金棒材组织性能的影响

TB8钛合金棒材在800、850、890℃，分别保温60min后，显微组织如图2所示。可以看出，TB8钛合金在800℃固溶处理时，显微组织为α+β的两相组织，即在β晶粒的基体上分布着大量未转变的初生α相(α_p)颗粒，β晶粒呈长条状。随着固溶温度的升高，α_p相含量逐渐减少，同时伴随β晶粒长大，当固溶温度为850℃时，显微组织主要为等轴β晶粒，晶界处仍存在少量的α_p相。当固溶温度达到890℃时，α_p相消失，显微组织为完全固溶后的单相等轴β晶粒，β晶粒表面有浮凸形貌和少量黑色点状物，这主要与材料在热处理后快冷过程中发生马氏体相变有关［5］。

表2为TB8钛合金棒材经不同温度固溶处理后的力学性能。可以看出，随着固溶温度的升高，材料的抗拉强度逐渐降低，但塑性升高。这是由于β钛合金在固溶处理过程中，随着固溶理温度的升高，α_p相逐渐转为高温等轴β相，在后续冷却过程中，高温β相会转变为不稳定的室温亚稳β相，这种亚稳β相可以使材料表现出优异的塑性和较低的强度，因此，β钛合金更有利于冷加工成形［6］。高温β相含量越高，冷却后转变成的亚稳β相含量也随之增加，同时伴随着材料的塑性提高、强度降低。

2.2固溶时间对TB8钛合金棒材组织性能的影响

对TB8钛合金棒材在890℃进行固溶处理，分别保温10、30、60、120min，其显微组织如图3所示。可以看出，在890℃固溶处理后，合金显微组织均为单相等轴β晶粒，随着固溶时间的延长，β晶粒尺寸逐渐长大，不同固溶时间下的平均晶粒尺寸分别为42、60、85、130μm。

表3为不同固溶时间下TB8钛合金棒材的力学性能。不同保温时间下棒材的塑性变化不大，但随着固溶时间的延长，棒材的抗拉强度降低，这主要与晶粒尺寸有关。Hall-Petch关系式已明确表明，在常规晶粒尺寸的材料中，晶粒尺寸越细小，材料的强度和塑性就越高［2］。综合选择890℃、保温30min为TB8钛合金棒材的固溶处理工艺，此时材料的强塑性匹配最佳。

2.3时效处理对TB8钛合金棒材组织及性能的影响

时效主要是在一定温度和时间范围内使固溶产生的亚稳相发生脱溶分解，析出第二相，最终得到更加稳定的两相组织［7-8］。时效温度对TB8钛合金性能的影响显著，低温时效会影响次生α相(α_s)的析出，使其弥散度不均，导致材料塑性下降，高温时效又会使α_s相迅速长大，影响材料的强度［9］。合理的固溶时效工艺可以使TB8钛合金获得良好的强塑性匹配。890℃×30min固溶处理后的TB8钛合金棒材，经时效温度520℃，保温时间4、6、8、10、12h处理后的组织形貌如图4所示。可见，固溶时效处理后，棒材显微组织中析出大量细小片层次生α_s相。当保温时间为4h时，在β晶粒的晶内及晶界析出了大量α_s相，但晶内仍有部分未沉淀区;当保温时间为6h时，仅有少量β晶粒内存在未沉淀区，随着保温时间的延长，α_s相析出逐渐均匀弥散。

时效处理时，随着保温时间的延长，TB8钛合金棒材的力学性能见图5。可以看出，时效处理后TB8钛合金棒材强度显著提高，同时塑性降低。根据文献［10］，这是因为α_s相是亚稳β钛合金的主要强化机制，α_s相的形态主要呈片层状，β型钛合金时效后的组织中析出大量交错排列的α_s条，条间界面能够阻碍滑移的进行，使变形更加困难，α_s相含量越多，晶粒越细小，材料的强度越高，因此，β型钛合金时效后强度变高。结合显微组织可以看出，时效保温4h时，α_s相未完全析出，因此，强度最低，随着时间的延长，α_s相含量逐渐增加，并在β晶界及晶内均匀弥散析出，棒材的抗拉强度逐渐升高并最终趋于稳定。

同时，α_s相含量及其沉淀析出的均匀性对TB8钛合金的塑形影响显著，α_s相越细小，分布越均匀弥散，在提高材料强度的同时还会有较好的塑性［11］。随着时效保温时间的延长，α_s相晶粒长大，材料的塑形呈逐渐降低趋势。当时效时间为8h时，棒材的时效强度达1286MPa，并保留较好的塑形。推荐TB8钛合金最佳的固溶时效处理制度为:890℃×30min，WQ+520℃×8h，AC。

3、结论

1)TB8钛合金棒材在890℃固溶处理时，可以获得单一等轴β组织，随着固溶保温时间的延长，β晶粒逐渐长大，强度逐渐降低。经890℃×30min，水冷固溶处理后，具有最佳的强塑性匹配。

2)TB8钛合金棒材时效热处理后，显微组织中析出大量细小片层交错的次生α相，使棒材的强度显著增高，塑性降低。在520℃下保温8h时效处理后，棒材抗拉强度可以达到1286MPa，并保留较好的塑形。推荐TB8钛合金棒材的固溶时效热处理制度为:890℃×30min，WQ+520℃×8h，AC。

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