时效温度对TB18钛合金组织和力学性能的影响

飞机技术的每一代进步，结构质量系数的降低和寿命的延长，发动机推重比量级的每一次提高，无不强烈依赖于材料技术的进步。 “一代材料，一代装备”就是对航空装备与航空材料的相互依存、相互促进的紧密关系的真实写照。 钛合金具有比强度高、耐腐蚀好、轻质、高温性能优异等优点，作为重要的结构材料被广泛使用于航空、航天领域[1] 。 在航空领域中，钛合金可以替代高密度合金为飞机减重，现代飞机中钛合金的用量也越来越大。 美国第三代战斗机 F-14 和 F-15钛合金用量分别占24％和27％，而第四代战斗机 F-22钛合金用量高达 41％［2] 。 其中，特大型钛合金整体锻件已广泛用于机翼和后机身。 美国先进的 Ｖ2500 发动机钛合金用量也达到了 30％ 左右。 民机上的钛合金用量也创新高，波音 787 飞机和 Ａ380 飞机的钛合金用量都达到 10％左右。

近年来，航空对高强度、高断裂韧度的新型结构钛合金的需求越来越迫切，因此研究具有自主知识产权，能够替代超高强度钢并用于航空大型结构件的新型高强高韧钛合金得到了重视。 目前国内外成熟的高强度钛合金主要包括 Ti⁃1023、BT22、TC18、TC21 钛合金等，但是这些钛合金抗拉强度都在 1100 MPa 级别。

TB18 钛合金是近年来联合自主研制开发的一种新型亚稳β型高强高韧钛合金，其抗拉强度高于 TC11、TC18 及 TC21 合金等航空领域成熟的钛合金，是一种高结构效益钛合金[3] 。 该合金经合适的固溶时效处理后，强度可达 1300 MPa，断裂韧度可达 60 MPa·m1/2［4] 。

固溶时效是亚稳β钛合金的主要强化方法，例如，Ti6554 钛合金经过单相区固溶和500 ℃短时时效后强度高达 1590 MPa[5⁃6] ，并优化出了最佳热处理制度，为（870 ～920 ℃）×30min，空冷 ＋580 ℃ ×10 ｈ[7⁃9] 。 作为亚稳β钛合金，固溶时效也是TB18 钛合金的主要强化方法，但相关研究仍较少。

为进一步获得TB18 钛合金最佳性能匹配的热处理工艺，在科技工作者前期开展的研究基础上[10⁃13] ，本文采用不同时效温度对TB18 钛合金进行热处理，研究时效温度对TB18 钛合金力学性能、显微组织及断口形貌的影响，为该钛合金后续的工程化应用提供一定的技术参考。

1、试验方法和材料

试验所用的TB18 钛合金为经两相区镦拔锻造的锻件，其主要化学成分如表 1 所示。 为研究时效温度对TB18 钛合金力学性能和组织的影响，先对钛合金进行了 870 ℃×2h，空冷（ＡＣ）的固溶处理，再分别进行 520、530、540 及 550 ℃保温 4h空冷的时效处理。

热处理后沿着平行于坯料长度方向，经线切割、精加工、磨削等工序制备有效工作直径 ϕ5 ｍｍ、标距25 ｍｍ的标准拉伸试样。 每组热处理工艺取 2 个平行试样进行室温拉伸性能测试，室温拉伸试验在 ＡＧ250ＣＮＥ 试验机上进行。 采用 Ａｌｐｈａ300Ｒ 型光学显微镜观察和分析显微组织，采用 ＣａｍＳｃａｎ3400 型扫描电镜观察和分析钛合金中次生 α 相的形貌。

2、试验结果与分析

2.1　时效温度对力学性能的影响

不同时效温度下TB18 钛合金的力学性能如表2所示，由表2数据，绘制TB18 钛合金力学性能与时效温度的关系曲线，如图 1 所示。 从表2和图1可以看出，随着时效温度的升高，TB18 钛合金的屈服强度和抗拉强度均降低，伸长率和断面收缩率则均升高，这与金属的一般规律相符。 进一步对力学性能数据分析可知，时效温度每升高 10 ℃，抗拉强度降低约 50 MPa，伸长率提高约 1.7％。 尤其是当时效温度由 540 ℃升高到 550 ℃时，抗拉强度降低了 78.5 MPa，伸长率提高了 3％。 这说明TB18 钛合金力学性能对时效温度非常敏感。

值得注意的是，当时效温度为 520 ℃ 时，抗拉强度、屈服强度、伸长率和断面收缩率都合格，抗拉强度比指标高47.5 MPa，但是伸长率比指标仅高1.5％，收缩率比指标仅高 3％，伸长率和断面收缩率的富余量都不大。 而当时效温度 540 ℃和 550 ℃时，虽然伸长率和断面收缩率提高，但是抗拉强度和屈服强度已经不满足该材料的性能指标要求。 当时效温度为530 ℃时，抗拉强度和屈服强度分别比指标高 5.5 MPa 和26 MPa，伸长率和断面收缩率分别比指标高 2.8％ 和6％。 因此，从合金强度和塑性综合考虑，合金时效温度因选取 530 ℃为宜，也即TB18 钛合金的最佳热处理工艺为870 ℃×2h，ＡＣ，固溶 ＋530 ℃ ×4 ｈ，ＡＣ，时效。

2.2　时效温度对显微组织的影响

TB18 钛合金不同温度时效后出现力学性能的差异跟其微观组织是密切相关的。 图2（ａ）是TB18 钛合金原始锻态的显微组织，图 2（ｂ）是经 870 ℃×2h 固溶处理后的显微组织。 原始组织为经两相区多火次锻造的锻态组织（见图 2（ａ）），组织中存在等轴状初生 α相。 两相区锻造是在β转变温度以下 20 ～50 ℃加热后进行锻造，也称为常规锻造，根据锻造温度一般获得双态组织或等轴组织。 而经 870 ℃保温 2 ｈ 空冷的固溶处理后，由于固溶温度比β转变温度高 70 ℃，原本锻态中的细小的初生 α 相已经完全转化为等轴β晶粒（见图2（ｂ））。 此时，合金晶粒尺寸为 200 ～250 μｍ。

值得注意的是，尽管固溶后冷却方式为空冷，但晶内并没有 α 相析出。 这是因为 Ｃｒ、Ｍｏ 和 Ｖ 都是典型的 β稳定元素，β 稳定元素能够固溶于β相中稳定β相、扩大β相相区或降低β相相变点。 从表 1 可以看出，TB18 钛合金的 Ｃｒ 含量为 5.4％、Ｍｏ 含量为 5％、Ｖ 含量为5％，3 个β稳定元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ）含量累计为15.4％。

根据Mo当量公式可计算出其Mo当量为 13.95，这使得TB18 钛合金在空冷条件下就足以保留高温β相至室温，成为过饱和固溶体。 这种过饱和固溶体也为后续的时效析出做准备。

图 3 是TB18 钛合金经 870 ℃ × 2 ｈ 固溶处理后在不同温度下时效 4 ｈ 后的显微组织。 从图 3 可以看出，TB18 钛合金经不同温度时效后原始β晶界仍清晰可见，显微组织由等轴的原始β晶粒和次生 α 相组成。 时效温度对原始β晶粒尺寸略有影响，但是总体影响并不明显。

为进一步分析不同时效温度下TB18 钛合金中次生 α 相的微观形貌，对经不同温度时效的TB18 钛合金进行 ＳＥＭ 观察与分析，结果如图 4 所示。 从图 4 可以看出，TB18 钛合金经不同温度时效后，次生 α 相的微观形貌相似，均为片层状，α 片层之间纵横交错。 但时效温度对次生 α 相片层尺寸（长度和厚度）具有明显的影响。 如图 4（ａ） 所示，在 520 ℃ 时效处理 4 ｈ后，α 片层尺寸较为细小，纵横交错，但由于时效温度较低，部分析出 α 相还没有形成片层结构。 随着时效温度升高至 530 ℃（如图 4（ｂ）所示），片层 α 相增多，同时厚度略有增加。 从尺寸来看，与520 ℃时效相比，530 ℃时效后片层 α 相分布更加均匀。 当时效温度升高到540 ℃和550 ℃时（如图4（ｃ，ｄ）所示），片层 α 相厚度增大明显，甚至开始出现合并生长成厚片层 α相，片层间距也进一步增大。 原始β晶粒内部析出的片层 α 相大多相互垂直，也有少量的片层 α 相呈 60°交织。

综上分析，随着时效温度的升高，合金内部析出的次生 α 相片层尺寸呈增大趋势。 过低温度时效（520 ℃）后，合金组织中次生 α 相片层析出不完全，尽管次生 α相片层尺寸较为细小，但部分析出 α 相还没有形成片层结构。 过高温度时效（550 ℃）后，合金组织中次生α 相片层长大明显、甚至粗化，片层厚度可达 0.5 μｍ。

只有合适的温度时效（530 ℃）后，合金组织中才能析出均匀、细小的次生 α 相片层。 这种微观组织也是该时效温度（530 ℃）获得最佳综合力学性能的原因。

2.3　时效温度对拉伸断口形貌的影响

图5（ａ，ｂ）是TB18 钛合金经520 ℃和530 ℃时效的宏观拉伸断口形貌，图 5（ｃ，ｄ）是对应的微观断口形貌。 从图 5（ａ，ｂ）可以看出，合金拉伸断口由纤维区、辐射区及剪切唇区组成，且纤维区占比较大。 一般来说，纤维区反映材料塑性变形，辐射区反映材料脆性变形，也即纤维区占比越大，材料塑性越好。 从宏观断口形貌来看，520 ℃和 530 ℃时效后合金塑性均一般，但530 ℃时效的纤维区占比略大，也就是 530 ℃ 时效比520 ℃时效后塑性略好。 进一步对 520 ℃和 530 ℃时效后断口纤维区进行高倍 ＳＥＭ 观察，如图 5（ｃ，ｄ）所示。 从图 5（ｃ，ｄ）可以看出，520 ℃和 530 ℃时效后断口均分布着大量细小韧窝，断口出现大量韧窝是合金塑性断裂的典型特征。 此外，530 ℃ 比 520 ℃ 时效后的断口韧窝更深，说明 530 ℃比 520 ℃时效后的塑性更好，与拉伸性能数据一致。

3、结论

1） 随着时效温度升高，TB18 钛合金抗拉强度和屈服强度不断降低，伸长率和断面收缩率提高。 从强度和塑性综合考虑，当时效温度为 530 ℃时，TB18 钛合金的综合力学性能最好。 此时抗拉强度为1285．5 MPa，屈服强度为 1206 MPa，伸长率为7.8％，断面收缩率为16％。

2）TB18 钛合金锻态是典型的等轴组织，经870 ℃×2h 空冷固溶处理后为等轴β晶粒，晶粒尺寸为 200 ～250 μｍ。

3）TB18 钛合金经不同温度时效后，次生 α 相的微观形貌相似，均为片层状，α 相片层纵横交错。 随着时效温度的升高，合金内部析出的次生 α 相片层尺寸呈增大趋势。

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