熱處理工藝對TB9鈦合金棒材組織和性能的影響

TB9鈦合金（名義成分為Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr）是一種亞穩態β鈦合金，密度約4.8g/cm³，鉬當量約19.6，在730℃即可發生α→β相變，通過加工和熱處理后極限強度可達1400MPa以上［1］。TB9鈦合金具有密度低、強度高、耐蝕、冷加工和抗疲勞性能優異等特點，還具有良好的冷加工變形能力，可大幅度縮短生產周期，降低生產成本［２－4］。試驗研究了不同固溶溫度和時效溫度對TB9鈦合金顯微組織及力學性能的影響，以期能夠對該合金后續產品的生產和應用提供理論支持。

1、試驗方案

采用真空自耗電弧爐經二次熔煉得到Φ360mmTB9合金鑄錠 ， 其化學成分見表１。

合金的相變溫度為730 ℃。 首先采用1250t快鍛機在1150 ℃進行開坯  獲得100mm的方棒，然后采用快鍛機在950℃下制得Φ50mm棒坯，最后采用125型橫列式軋機在軋制溫度為９00℃下制成Φ10mm的棒材。隨后分別進行固溶處理和時效處理，固溶溫度分別為780、810、840、870℃，保溫30min后水冷，固溶后分別在460、510、560℃時效12h后空冷。室溫拉伸性能在Ｉｎｓｔｒｏｎ5９85型拉伸試驗機上進行測試，顯微組織觀察在Ｏｌｙｍｐｕｓ光學顯微鏡和牛津SEM掃描電鏡上進行。

2、試驗結果與分析

2.1 固溶時效雙重處理對顯微組織和力學性能的影響

TB9鈦合金分別在780℃×0.5ｈ/WC、840℃×0.5ｈ/WC、870℃×0.5ｈ/WC三種工藝固溶處理，并 經460℃×12ｈ/ＡＣ、510℃×12ｈ/ＡＣ和560℃×1２ｈ/ＡＣ時效處理后，顯微組織如圖1所示，拉伸 性能見表２。由表２可知，固溶溫度不僅能改變β相晶粒尺寸，而且影響后續時效合金中α相的析出行為。

時效溫度相同的條件下，隨著固溶溫度的升高，β相晶粒尺寸增加，抗拉強度和屈服強度呈下降趨勢，延伸率和面縮率變化較小；在相同固溶處理工藝條件下，隨著時效溫度的升高，β相晶粒尺寸增加，在高于510 ℃時效后，β相晶內和晶界處出現了大量α析出相，導致抗拉強度和屈服強度顯著降低，延伸率和面縮率顯著提高。

2.2 固溶處理對合金斷裂行為的影響

經軋制加工得到的TB9鈦合金棒材經固溶時效處理后，微觀組織中晶內析出α相并呈均勻分布。 研究表明，當時效處理為510℃×12ｈ/ＡＣ時，棒材具有較好的強塑性匹配，因此研究固溶處理對合金 斷裂行為研究時固定時效處理工藝為510℃×1２ｈ/ＡＣ不變。

TB9鈦合金棒材經過780℃×0.5ｈ、840℃×0.5ｈ/WC和870℃×0.5ｈ/WC不同固溶處理再進行510℃× 12h/ＡＣ相同時效處理后，拉伸斷口形貌和ＳＥＭ組織如圖２所示，由圖２可知，隨著固溶溫度的增加 ，相同時效溫度處理的斷口形貌由韌窩狀塑性斷裂逐漸向脆性斷裂轉變，韌窩含量減小，沿晶斷裂的含量增 加［圖２（ａ）～（ｃ）］，這是因為隨著固溶溫度的增加，相同時效處理后晶內和晶界α相的尺寸增加［ 圖２（ｅ）～（ｆ）］，變形過程中應力容易在晶界α相處集中，導致沿晶斷裂的發生。

3、結論

1）在時效溫度相同的條件下，隨著固溶溫度的升高，β相晶粒尺寸增加，抗拉強度和屈服強度呈下降趨勢，延伸率和面縮率變化較小。

2）在相同固溶處理工藝條件下 ，隨著時效溫度的升高，β相晶粒尺寸增加，在高于510℃時效后，β的升高，β相晶粒尺寸增加，在高于510℃時效后，β相晶內和晶界處出現了大量α析出相，抗拉強度和屈服強度顯著降低，延伸率和面縮率顯著提高。

3)隨著固溶溫度的增加，相同時效溫度處理的斷口形貌由韌窩狀塑性斷裂逐漸向脆性斷裂轉變，韌窩含量減小，沿晶斷裂的含量增加。

參考文獻：

［1］萊茵斯ｃ，皮特爾斯Ｍ鈦及鈦合金［Ｍ］.陳振華，譯北京：化學出版社，２005.

［２］倪沛彤，韓明臣，張英明，等.宇航飛行器緊固件用鈦合金的發展［J］.鈦工業進展，２01２，29（3）：6－10.

［3］郭金明，任璐，倪沛彤，等.軋制溫度和熱處理對TB9鈦合金棒材組織和性能的影響［J］.鈦工業進展，２015，3２（5）：２7－30.

［4］顏照鵬，焦清洋，權純逸，等.TB9鈦合金彈簧制造工藝研究［J］.熱加工工藝，２0２２（6）：14２－145.