热处理制度对TB3钛合金棒组织及性能的影响

钛合金是当代飞机和航空发动机的主要结构材料之一，对于减轻飞机的质量,提高飞机推重比,增加飞行距离和减少燃料费用等都具有十分重要的意义[1]。随着我国航空航天事业的迅速发展,飞行器紧固件、弹性组件及主要承力结构件对其材料的需求更为突出地集中于耐蚀、轻质、高强，所以发展高强钛合金材料及其加工工艺对我国航空航天工业的发展具有积极的推动作用。

TB3是一种可热处理强化的亚稳定β型钛合金，该合金的主要优点是固溶处理状态具有优异的冷成形性能，其冷镦比(Dt/D0)可达2.8，固溶+时效制处理后可获得高的强度，主要用于制造使用温度低于300℃的1100MPa级以上高强度航空航天紧固件[2]。本文利用热处理工艺影响组织、而组织又决定性能这一规律，通过制订不同的热处理制度研究了TB3钛合金力学性能的变化规律。

1、实验材料及方法

1.1实验材料

实验用TB3钛合金铸锭由西部钛业有限责任公司自行生产，其化学成分符合GB/T3620.1-2007规定[3]。铸锭经β区和(α＋β)区加热锻造成准100mm规格棒材，然后在(α＋β)区加热轧制成准16mm规格小棒，采用差热分析法测定该合金的(α＋β)→β相变点为756℃。

1.2实验方法

分别选定三种固溶温度及三种时效温度。TB3钛合金棒材轧制完成后，切取试样并按预先选定的热处理制度进行处理，选定热处理制度见表1。

TB3钛合金试样按照以上表1中预先制订的热处理制度处理后，分别进行了显微组织观察及力学性能试验。显微组织观察在Olympus/PMG3型光学显微镜上进行，室温拉伸性能测试在INSTRON型电子万能试验机上进行。

2、实验结果与分析

2.1TB3钛合金显微组织

TB3钛合金试样经固溶及固溶+时效处理后显微组织如图1所示。可看出，TB3钛合金在(α＋β)→β转变温度以上固溶处理后，合金显微组织为单一的β晶粒，随固溶加热温度的升高，合金晶粒明显长大，但晶内残余的第二相质点数量明显减少。TB3钛合金固溶处理并时效处理后，合金显微组织中β晶界及晶粒内部均匀弥散析出大量的α相。

2.2TB3钛合金力学性能

TB3钛合金试样经不同热处理制度处理后的室温拉伸性能测试结果见表2。

分析表2试验数据可看出，TB3钛合金经800、810和820℃固溶处理后，其抗拉强度随固溶温度升高而降低，塑性随固溶温度升高而升高。这主要是因为，TB3钛合金在(α＋β)→β转变温度以上进行固溶处理时，随固溶温度的升高，合金的固溶度增大，其中残存的第二相质点越来越少(从不同温度固溶后显微组织照片可以明显看出)，以致弥散强化作用也就越来越小，所以宏观上表现为随固溶温度升高合金强度下降、塑性上升。

同时可以看出，TB3钛合金在(α＋β)→β转变温度以上固溶处理后，可以获得较高的强度和十分优异的塑性，这十分有利于合金的冷加工，如标准件加工的冷镦等。

分析表2试验数据还可看出，TB3钛合金经810℃固溶，并经530、540和550℃时效后，合金室温拉伸性能与时效温度的变化有着十分明显的规律，随时效温度的升高，合金的抗拉强度明显降低，从最高的1300MPa降至1210MPa，但合金塑性明显增高，断面收缩率从最低的29%增到最高的37%。这主要是随时效温度的升高，从β基体中析出的α相粗化，未沉淀区面积增大，晶界、晶内网状物析出现象减轻或消除，所以合金塑性增加[4]。但同时晶内弥散质点减少，弥散强化减弱，合金强度降低。

固溶温度决定了组织中介稳定β相(α'、α''、β过冷等)的成分和数量，对合金固溶状态下的强度、塑性有较大影响，但时效温度对最终产品性能的影响比固溶温度更为敏感。因此，对于亚稳定β型钛合金而言，选择时效温度要慎之又慎。时效温度太高，析出的α相粗大，强化效果差，而且高温下合金中共析元素(Fe等)易出现共析反应生成金属间化合物，从而使合金变脆。时效温度太低，转变速度较慢，所需时效保温时间长，时效时间太长容易形成硬度高、脆性大的ω相，又会使合金变脆。在530～550℃时效，每升降10℃所引起的抗拉强度平均降低35MPa左右。可见，对于亚稳定β型钛合金需选择精度较高的电炉进行时效处理，否则对性能波动较大。

可看出，TB3钛合金在(α＋β)→β转变温度以上固溶处理后，可以获得较高的强度和优异的塑性，非常有利于合金的冷加工，合金在固溶并时效后，通过调整时效温度的高低，可以获得符合要求的强度、塑性匹配，以满足不同服役条件的零件需求。

3、结论

(1)TB3钛合金在(α＋β)→β转变温度以上固溶时，获得的组织为单一的等轴β晶粒，且随固溶温度升高，合金强度降低、塑性升高。

(2)时效温度对TB3钛合金的室温拉伸性能影响非常明显，随时效温度的升高，合金强度明显降低，但塑性显著增加。

(3)TB3钛合金经800～820℃固溶后，具有较高的强度和优异的塑性，经550℃时效后，可获得抗拉强度大于1200MPa，伸长率大于10%的优异综合性能。

参考文献：

[1]张利军，田军强，周中波，等．热处理制度对TC21钛合金锻件组织及力学性能的影响[J]．中国材料进展，2009，28(9-10)：84-87．

[2]中国航空材料手册编辑委员会．中国航空材料手册[M]．北京：中国标准出版社，2002．

[3]GB/T3620.1-2007．钛及钛合金牌号和化学成分[S]．

[4]王晶，韩洪武，阎彩文．热处理对TB5板材组织和性能的影响[J]．稀有金属材料与工程，2008，37(增刊3)：671-673．