固溶处理对TB3小规格钛合金棒材晶粒尺寸和力学性能的影响

TB3钛合金（名义成分Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al）是由西北有色金属研究院自主研发的亚稳定β型钛合金。该合金在固溶态可冷加工成型、可焊接，在时效态强韧性匹配良好，因而作为紧固件材料广泛应用于航空、航天领域[1]。

有关热处理工艺对TB3钛合金棒组织和性能的影响已有一些研究[2-6]，但针对TB3钛合金固溶热处理研究，前期报道中往往属于定性的，而不同固溶制度热处理后组织的晶粒尺寸及其与力学性能之间的关系定量研究尚未见报道。在实际生产过程中，以固溶态交货的TB3钛合金小规格棒材经常出现室温固溶强度不达标的现象。本研究考察了固溶热处理中各项参数对TB3钛合金小规格棒材晶粒尺寸和力学性能的影响，旨在解决生产过程中存在的问题，优化固溶热处理工艺。

1、试验过程

试验所用材料为3次真空自耗电弧熔炼的φ440mmTB3钛合金铸锭，经过开坯、锻造、轧制得到的φ18mm、φ10mm的棒材。为保证样品原始状态一致，固溶热处理试验所用试样从同一支棒材的中部连续切取。使用光学显微镜观察显微组织。将显微组织照片中的多边形等轴β晶粒近似为面积相同的圆形，以直径表示该β晶粒的晶粒尺寸，并统计平均晶粒尺寸。使用Instron1185万能测试机在室温下（25℃）测试力学性能，拉伸应变速率为0.00025s^-1。

2、试验结果与分析

2.1固溶温度

图1是经不同固溶温度热处理后的φ18mmTB3钛合金棒材试样的显微组织。其固溶热处理制度分别为：（a）805℃/30min，AC（AC指空冷，下同）；（b）820℃/30min，AC；（c）835℃/30min，AC；（d）850℃/30min，AC。通过对比可以发现，随着固溶温度的升高，在β相晶界处残留的未固溶的α相的含量逐渐减少，等轴β晶粒尺寸逐渐增大。

对不同固溶温度热处理后β晶粒的平均晶粒尺寸进行统计计算，图2是固溶温度对φ18mmTB3钛合金棒材试样平均晶粒尺寸的影响。从图中可以看出，固溶温度对平均晶粒尺寸的影响呈现两个阶段：当固溶温度小于820℃时，平均晶粒尺寸增长缓慢，固溶温度的升高对平均晶粒尺寸的影响不明显，固溶温度为805℃和820℃时平均晶粒尺寸分别为14.13和14.35μm。当固溶温度大于820℃时，随着固溶温度的升高，平均晶粒尺寸显著增大，当固溶温度为835、850℃时，平均晶粒尺寸分别为17.93、21.44μm。

图3为固溶温度对φ18mmTB3钛合金棒材试样室温力学性能的影响。由图可见，对于强度指标，当固溶温度小于820℃，抗拉强度下降缓慢；当固溶温度大于820℃时，随着固溶温度的升高抗拉强度迅速下降。抗拉强度随固溶温度变化的趋势与图2中平均晶粒尺寸随固溶温度变化的趋势相反，抗拉强度随固溶温度升高而下降的幅度几乎相近于平均晶粒尺寸随固溶温度升高而增大的幅度。由于完全固溶态不存在位错、第二相质点等影响室温强度的因素，固溶态TB3钛合金棒材室温强化机制主要为细晶强化，室温强度主要受晶粒尺寸影响，晶粒尺寸越小，强度越高。图中固溶温度对于塑性指标的影响幅度较小，说明晶粒尺寸对于固溶态TB3钛合金棒材室温塑性影响较小。

2.2冷却方式

图4为φ18mmTB3钛合金棒材试样805℃/30min固溶热处理后水淬的显微组织。相比使用相同固溶温度和保温时间的空冷样品的显微组织（图1（a）），水淬样品中残留的α相较少，这是因为快速冷却抑制冷却过程中α相的析出。空冷样品和水淬样品的平均晶粒尺寸分别为14.13、14.02μm，相差较小，说明对于TB3钛合金小规格棒材而言，固溶热处理冷却阶段晶粒没有足够的温度和时间长大，冷却方式对晶粒尺寸的影响较小。

通过两种不同冷却方式固溶热处理后的φ18mmTB3钛合金棒材试样室温力学性能见表1。可以看出，由于不同冷却方式对平均晶粒尺寸的影响并不明显，空冷样品和水淬样品的抗拉强度相当，塑性也基本相同。

2.3保温时间

对试样经810℃固溶热处理后分别保温40、80min后空冷。φ10mmTB3钛合金棒材试样经不同保温时间固溶热处理后的显微组织见图5。测量统计其β晶粒平均晶粒尺寸，保温40min时平均晶粒尺寸为26.56μm，见图5（a）；保温80min时平均晶粒尺寸为27.40μm，见图5（b）。

可以看出，固溶热处理保温时间延长到之前2倍，平均晶粒尺寸的增长仅为3.16%，增长幅度很小。这是因为β型钛合金晶粒长大倾向很大[7]，固溶温度下短时间内晶粒迅速长大，再延长保温时间，晶粒长大速度趋缓，长大幅度有限。而固溶保温40min时晶粒尺寸早已趋于稳定，之后即使延长保温时间，晶粒尺寸的变化也较小。因此，在短时间内晶粒迅速长大后，继续延长固溶保温时间对TB3钛合金棒材晶粒尺寸的影响较小。在实际生产过程中，若固溶热处理时保温时间足以使晶粒尺寸迅速长大并趋于稳定，可以推断，对于固溶热处理后棒材需要逐根矫直，当矫直首末件棒材的固溶保温时间相差较大时，不会对晶粒尺寸产生显著影响。

2.4重复固溶热处理

φ10mmTB3钛合金棒材试样经810℃固溶分别保温40、80min，并空冷。后再于810℃重复固溶热处理80min后的显微组织见图6。测量统计其β晶粒平均晶粒尺寸，图6（a）中的平均晶粒尺寸为34.03μm（对应的固溶热处理制度为810℃/40min，AC+810℃/80min，AC），图6（b）中的平均晶粒尺寸为36.05μm（对应的固溶热处理制度为810℃/80min，AC+810℃/80min，AC）。

将重复固溶热处理的累计保温时间与之前首次固溶热处理保温时间一同比较，可以看出，从首次固溶热处理保温80min延长到重复固溶热处理累计保温120min时，平均晶粒尺寸由27.40μm增大到34.03μm，增幅达24.20%，这与首次固溶热处理中从保温40min延长到保温80min时平均晶粒尺寸3.16%的增长幅度比相差很大。将此增幅与重复固溶热处理时从累计保温120min延长到累计保温160min造成的晶粒尺寸长大幅度（5.94%）相比较，两者相差也很大。这说明重复固溶热处理时，累计保温时间的增加并不是晶粒尺寸大幅增长的根本原因。

将进行重复固溶热处理后的两个试样平均晶粒尺寸与首次固溶热处理后的对应试样平均晶粒尺寸相比，分别增长28.13%和31.57%。

可以看出，两个试样晶粒尺寸均明显增大且增幅相当。这说明，重复固溶热处理是晶粒尺寸大幅增大的原因。由于重复固溶热处理可以显著增大TB3钛合金棒材平均晶粒尺寸，生产中应确保固溶热处理1次完成，避免重复固溶热处理。

3、结论

（1）对于TB3钛合金小规格棒材，固溶热处理时提高固溶温度使晶粒尺寸增大，且不同固溶温度区间内晶粒尺寸的增速不同；固溶热处理初期晶粒迅速长大后，继续延长固溶保温时间对晶粒尺寸的影响较小；固溶热处理后的冷却方式对晶粒尺寸的影响不明显。

（2）重复固溶热处理，可以显著增大TB3钛合金小规格棒材的晶粒尺寸。

（3）固溶热处理通过影响晶粒尺寸进而对TB3钛合金小规格棒材的力学性能产生影响，晶粒尺寸越小，棒材的室温强度越高。

参考文献:

[1]韩明臣，倪沛彤，舒滢，等．冷却速度对TB3合金组织和性能的影响[J]．稀有金属材料与工程，2008，37(4)：655-657．

[2]张英明，韩明臣，倪沛彤，等．热处理对TB3钛合金棒材组织和性能的影响[J].钛工业进展，2010，27(6)：30-33.

[3]何春艳，叶红川，曲恒磊，等．热处理制度对TB3钛合金组织及性能的影响[J]．热加工工艺，2011，40(20)：181-182．

[4]刘娣，张利军，白钰，等．TB3钛合金丝材的热处理工艺[J].热加工工艺，2013，42(22)：163-166.

[5]邸伟，乔家英，李永兵，等．固溶时效对TB3钛合金冷镦紧固件组织与性能的影响[J]．金属热处理，2016，41(2)：123-126．

[6]刘娣，刘小花，张晨辉，等．时效工艺对TB3钛合金丝材组织及力学性能的影响[J]．铸造技术，2017，38(11)：2616-2618．

[7]《稀有金属材料加工手册》编写组．稀有金属材料加工手册[M]．北京：冶金工业出版社，1984：28．