時(shí)效處理對(duì)TB2 鈦合金棒材組織和力學(xué)性能的影響

文／劉宇舟，段曉輝，楊亞明，歐笑笑，葛金余·寶雞鈦業(yè)股份有限公司

本文研究了不同時(shí)效制度對(duì)TB2 鈦合金棒材整體熱處理后顯微組織和力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明：TB2 鈦合金棒材在相同的單相區(qū)固溶處理后，隨著時(shí)效時(shí)長(zhǎng)的增加，β 基體中析出的次生α 相含量及彌散程度不斷增加，室溫強(qiáng)度不斷升高，塑性指標(biāo)緩慢下降；繼續(xù)增加時(shí)效時(shí)長(zhǎng)，α 相含量及彌散程度達(dá)到一定峰值，室溫強(qiáng)度及塑性均呈下降趨勢(shì)，出現(xiàn)了“過(guò)時(shí)效”現(xiàn)象；經(jīng)760℃×30min.WC ＋470℃×30h.AC 固溶時(shí)效處理后的棒材，可獲得最佳的強(qiáng)塑性匹配，力學(xué)性能可完全滿足航天特殊連接件的使用要求。

TB2 鈦 合 金(Ti-3Al-5Mo-5V-8Cr) 是 一 種 亞穩(wěn)β 型鈦合金，具有冷成形性好、時(shí)效強(qiáng)度和斷裂韌度高、耐蝕性好、300℃下熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，常被制成航空航天用鉚釘、螺釘、螺栓等緊固件以及超速離心機(jī)轉(zhuǎn)頭、彈性元件、固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等零部件。

前期，于順兵對(duì)熱軋的TB2 方棒進(jìn)行了熱處理制度的研究；李思蘭對(duì)熱軋的TB2 板材進(jìn)行了熱處理制度研究；賀金宇對(duì)鍛造的TB2 棒材進(jìn)行了熱處理制度研究。但以上研究均是采用了小試樣坯開(kāi)展的熱處理和性能摸索。我公司在TB2 棒材工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)以上研究?jī)?nèi)容中的熱處理制度，在棒材采用整體熱處理時(shí)，實(shí)際性能水平與文中檢測(cè)數(shù)據(jù)存在較大的差異。本研究基于以上情況開(kāi)展棒材整體熱處理試驗(yàn)，以解決實(shí)際工業(yè)化生產(chǎn)中棒材整體熱處理后強(qiáng)度偏低、批次穩(wěn)定性差、合格率低的問(wèn)題。

試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用合金采用真空自耗電弧爐三次熔煉得到的φ600mm 鑄錠。鑄錠的化學(xué)成分如表1 所示，測(cè)定的相變點(diǎn)為(734±5)℃。鑄錠合金成分及雜質(zhì)含量滿足GB/T 3620.1-2016 中成分要求，且頭尾成分均勻，一致性較好。

表1 TB2 鈦合金鑄錠化學(xué)成分(wt%)

鑄錠在β 相區(qū)加熱后進(jìn)行開(kāi)坯鍛造，再經(jīng)多火次加熱和中間鍛造后，采用徑向鍛造機(jī)加工為φ60mm 棒材。棒材總鍛比大于10，多火次的加熱溫度逐火次降低。生產(chǎn)完成后切取長(zhǎng)度(500±10)mm棒材進(jìn)行整體熱處理，以消除尺寸效應(yīng)對(duì)熱處理效果的影響，做到與實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程一致。熱處理完成后按照?qǐng)?zhí)行標(biāo)準(zhǔn)要求，用線切割切取縱向樣條，試樣經(jīng)過(guò)機(jī)加工后進(jìn)行室溫拉伸性能及高倍組織檢測(cè)。采用INSTRON 68FM-100試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的室溫拉伸性能，采用ZEISS Axiovert 200 MAT 光學(xué)顯微鏡觀察不同熱處理制度處理后的顯微組織。

前期研究表明，TB2 鈦合金在β 相區(qū)固溶時(shí)，得到亞穩(wěn)定β 淬火組織，同時(shí)會(huì)存在少量初生α 相，在時(shí)效過(guò)程中，亞穩(wěn)定β 相促進(jìn)次生α 相析出，從而使TB2 鈦合金得到較好的時(shí)效強(qiáng)化效果。亞穩(wěn)定β 相的數(shù)量會(huì)影響時(shí)效強(qiáng)化的效果。根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，確定本次固溶制度為760℃×30min.WC，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展時(shí)效制度對(duì)比試驗(yàn)。本試驗(yàn)開(kāi)展的棒材熱處理制度見(jiàn)表2。

表2 TB2 鈦合金棒材熱處理制度

結(jié)果與分析

本試驗(yàn)的TB2 鈦合金棒材顯微組織照片如圖1 所示，室溫力學(xué)性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

圖1 TB2 鈦合金棒材顯微組織照片

表3 TB2 鈦合金棒材熱處理制度室溫拉伸力學(xué)性能

由圖1(a)可知，鍛造后的TB2 鈦合金棒材為明顯的β 型鈦合金加工組織，基體為單一的β 晶粒，經(jīng)過(guò)多向自由鍛造后尺寸均勻一致，且晶粒球化效果良好。在晶界位置有α 相析出，但析出量較少，部分晶界未完全顯現(xiàn)。在晶界的交叉位置出現(xiàn)了一些小的晶粒，這是由于鍛造加熱溫度均在相變點(diǎn)以上，終鍛溫度相應(yīng)較高，在隨后的空冷過(guò)程中，畸變能較高的晶界交叉位置發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，這些小的晶粒就是再結(jié)晶晶粒。

由圖1(b)可知，經(jīng)過(guò)單相區(qū)固溶處理后，晶內(nèi)析出少量點(diǎn)狀α 相，對(duì)比組織照片圖1(a)和圖1(b)，晶粒尺寸和形貌無(wú)明顯變化，這是因?yàn)樵诠倘芴幚碇皇潜Ａ舾嗟膩喎€(wěn)定β 相，對(duì)其相的組成和形貌無(wú)明顯影響。

由圖1(c)可知，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間時(shí)效后，晶界首先析出大量取向一致的晶界α 相，晶界完全顯現(xiàn)出來(lái)。對(duì)比組織照片圖1(a)、圖1(b)、圖1(c)可知，時(shí)效開(kāi)始后由α 相連接成的晶界更為清晰，且晶界尺寸變厚，在晶內(nèi)出現(xiàn)更彌散分布的橫縱交錯(cuò)的針狀α 相，局部形成雪花狀的聚集，α 相含量在15%，個(gè)別分散的晶粒內(nèi)部已完全轉(zhuǎn)化為高度彌散的α 相。

由圖1(d)可知，隨著時(shí)效時(shí)間的繼續(xù)增長(zhǎng)，晶界尺寸繼續(xù)變厚，晶內(nèi)出現(xiàn)更多雪花狀的α 相聚集，α 相含量達(dá)到35%，已完全轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨葟浬ⅵ?相的晶粒數(shù)量持續(xù)增加，出現(xiàn)局部完全轉(zhuǎn)化晶粒相連狀態(tài)。

由圖1(e)可知，隨著時(shí)效時(shí)間的繼續(xù)增長(zhǎng)，一半晶粒已完全轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨葟浬ⅵ?相的晶粒，出現(xiàn)多個(gè)完全轉(zhuǎn)化晶粒相連狀態(tài)，晶界已無(wú)法明確看出，個(gè)別未完全轉(zhuǎn)變的晶內(nèi)，彌散的α 相已將晶內(nèi)基本完全編織，α 相含量達(dá)到85%。

由圖1(f)可知，當(dāng)時(shí)效時(shí)間到達(dá)50 小時(shí)時(shí)，所有晶?；旧隙纪瓿闪烁叨葟浬ⅵ?相轉(zhuǎn)化，個(gè)別位置出現(xiàn)無(wú)析出物區(qū)，α 相含量達(dá)到97%。

TB2 鈦合金的強(qiáng)度、塑性與晶粒尺寸及次生α相尺寸、分布、體積分?jǐn)?shù)等因素密切相關(guān)。對(duì)6 組熱處理制度對(duì)應(yīng)的室溫拉伸性能進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 TB2 鈦合金棒材不同熱處理制度對(duì)室溫拉伸力學(xué)性能的影響

對(duì)比a 組和b 組的室溫拉伸力學(xué)性能，各項(xiàng)數(shù)據(jù)無(wú)明顯差異，這是由于鍛造生產(chǎn)在單相區(qū)溫度區(qū)間完成，在隨后的冷卻過(guò)程中只發(fā)生了回復(fù)和再結(jié)晶。因此，熱鍛后進(jìn)行固溶處理對(duì)其性能影響不大。

繼續(xù)依次分析c ～f 組，隨著時(shí)效的開(kāi)始，其強(qiáng)度數(shù)據(jù)開(kāi)始上升，塑性指標(biāo)開(kāi)始下降，是因?yàn)樵摵辖鹬屑尤肓丝膳c鈦形成連續(xù)固溶體的Mo、V 等合金元素以及可與鈦形成化合物的Al、Cr，因此其時(shí)效強(qiáng)化效果十分顯著。從時(shí)效開(kāi)始到時(shí)效時(shí)長(zhǎng)達(dá)到30 小時(shí)，棒材的室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度呈線性上升，斷后伸長(zhǎng)率呈拋物線下降，斷面收縮緩慢降低。當(dāng)時(shí)效時(shí)長(zhǎng)達(dá)到30h 時(shí)，材料的強(qiáng)度強(qiáng)化效果達(dá)到峰值，穩(wěn)定滿足航天特殊連接件的使用要求。繼續(xù)隨著時(shí)效時(shí)長(zhǎng)的增加，析出相已達(dá)到飽和狀態(tài)，析出的次生α相粗化，導(dǎo)致最終強(qiáng)度和塑性均降低，出現(xiàn)了“過(guò)時(shí)效”現(xiàn)象。根據(jù)理論猜測(cè)，是由于該合金含有Cr，在長(zhǎng)時(shí)間加熱過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。由于試驗(yàn)不具備檢測(cè)條件，所以暫時(shí)無(wú)法驗(yàn)證。

結(jié)論

⑴TB2 鈦合金棒材在相同的單相區(qū)固溶處理后，隨著時(shí)效時(shí)長(zhǎng)的增加，β 基體中析出的次生α 相含量及彌散程度不斷增加，室溫強(qiáng)度不斷升高，塑性指標(biāo)緩慢下降。

⑵繼續(xù)增加時(shí)效時(shí)長(zhǎng)，α 相含量及彌散程度達(dá)到一定峰值，室溫強(qiáng)度及塑性均呈下降趨勢(shì)，出現(xiàn)了“過(guò)時(shí)效”現(xiàn)象。

⑶經(jīng)760℃×30min.WC ＋470℃×30h.AC 固溶時(shí)效處理后的棒材，可獲得最佳的強(qiáng)塑性匹配，力學(xué)性能可完全滿足航天特殊連接件的使用要求。