热处理工艺对TB9钛合金棒材组织和性能的影响

TB9钛合金（名义成分为Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr）是一种亚稳态β钛合金，密度约4.8g/cm³，钼当量约19.6，在730℃即可发生α→β相变，通过加工和热处理后极限强度可达1400MPa以上［1］。TB9钛合金具有密度低、强度高、耐蚀、冷加工和抗疲劳性能优异等特点，还具有良好的冷加工变形能力，可大幅度缩短生产周期，降低生产成本［２－4］。试验研究了不同固溶温度和时效温度对TB9钛合金显微组织及力学性能的影响，以期能够对该合金后续产品的生产和应用提供理论支持。

1、试验方案

采用真空自耗电弧炉经二次熔炼得到Φ360mmTB9合金铸锭 ， 其化学成分见表１。

合金的相变温度为730 ℃。 首先采用1250t快锻机在1150 ℃进行开坯  获得100mm的方棒，然后采用快锻机在950℃下制得Φ50mm棒坯，最后采用125型横列式轧机在轧制温度为９00℃下制成Φ10mm的棒材。随后分别进行固溶处理和时效处理，固溶温度分别为780、810、840、870℃，保温30min后水冷，固溶后分别在460、510、560℃时效12h后空冷。室温拉伸性能在Ｉｎｓｔｒｏｎ5９85型拉伸试验机上进行测试，显微组织观察在Ｏｌｙｍｐｕｓ光学显微镜和牛津SEM扫描电镜上进行。

2、试验结果与分析

2.1 固溶时效双重处理对显微组织和力学性能的影响

TB9钛合金分别在780℃×0.5ｈ/WC、840℃×0.5ｈ/WC、870℃×0.5ｈ/WC三种工艺固溶处理，并 经460℃×12ｈ/ＡＣ、510℃×12ｈ/ＡＣ和560℃×1２ｈ/ＡＣ时效处理后，显微组织如图1所示，拉伸 性能见表２。由表２可知，固溶温度不仅能改变β相晶粒尺寸，而且影响后续时效合金中α相的析出行为。

时效温度相同的条件下，随着固溶温度的升高，β相晶粒尺寸增加，抗拉强度和屈服强度呈下降趋势，延伸率和面缩率变化较小；在相同固溶处理工艺条件下，随着时效温度的升高，β相晶粒尺寸增加，在高于510 ℃时效后，β相晶内和晶界处出现了大量α析出相，导致抗拉强度和屈服强度显著降低，延伸率和面缩率显著提高。

2.2 固溶处理对合金断裂行为的影响

经轧制加工得到的TB9钛合金棒材经固溶时效处理后，微观组织中晶内析出α相并呈均匀分布。 研究表明，当时效处理为510℃×12ｈ/ＡＣ时，棒材具有较好的强塑性匹配，因此研究固溶处理对合金 断裂行为研究时固定时效处理工艺为510℃×1２ｈ/ＡＣ不变。

TB9钛合金棒材经过780℃×0.5ｈ、840℃×0.5ｈ/WC和870℃×0.5ｈ/WC不同固溶处理再进行510℃× 12h/ＡＣ相同时效处理后，拉伸断口形貌和ＳＥＭ组织如图２所示，由图２可知，随着固溶温度的增加 ，相同时效温度处理的断口形貌由韧窝状塑性断裂逐渐向脆性断裂转变，韧窝含量减小，沿晶断裂的含量增 加［图２（ａ）～（ｃ）］，这是因为随着固溶温度的增加，相同时效处理后晶内和晶界α相的尺寸增加［ 图２（ｅ）～（ｆ）］，变形过程中应力容易在晶界α相处集中，导致沿晶断裂的发生。

3、结论

1）在时效温度相同的条件下，随着固溶温度的升高，β相晶粒尺寸增加，抗拉强度和屈服强度呈下降趋势，延伸率和面缩率变化较小。

2）在相同固溶处理工艺条件下 ，随着时效温度的升高，β相晶粒尺寸增加，在高于510℃时效后，β的升高，β相晶粒尺寸增加，在高于510℃时效后，β相晶内和晶界处出现了大量α析出相，抗拉强度和屈服强度显著降低，延伸率和面缩率显著提高。

3)随着固溶温度的增加，相同时效温度处理的断口形貌由韧窝状塑性断裂逐渐向脆性断裂转变，韧窝含量减小，沿晶断裂的含量增加。

参考文献：

［1］莱茵斯ｃ，皮特尔斯Ｍ钛及钛合金［Ｍ］.陈振华，译北京：化学出版社，２005.

［２］倪沛彤，韩明臣，张英明，等.宇航飞行器紧固件用钛合金的发展［J］.钛工业进展，２01２，29（3）：6－10.

［3］郭金明，任璐，倪沛彤，等.轧制温度和热处理对TB9钛合金棒材组织和性能的影响［J］.钛工业进展，２015，3２（5）：２7－30.

［4］颜照鹏，焦清洋，权纯逸，等.TB9钛合金弹簧制造工艺研究［J］.热加工工艺，２0２２（6）：14２－145.