固溶處理對TB3小規(guī)格鈦合金棒材晶粒尺寸和力學(xué)性能的影響

TB3鈦合金（名義成分Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al）是由西北有色金屬研究院自主研發(fā)的亞穩(wěn)定β型鈦合金。該合金在固溶態(tài)可冷加工成型、可焊接，在時(shí)效態(tài)強(qiáng)韌性匹配良好，因而作為緊固件材料廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域[1]。

有關(guān)熱處理工藝對TB3鈦合金棒組織和性能的影響已有一些研究[2-6]，但針對TB3鈦合金固溶熱處理研究，前期報(bào)道中往往屬于定性的，而不同固溶制度熱處理后組織的晶粒尺寸及其與力學(xué)性能之間的關(guān)系定量研究尚未見報(bào)道。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，以固溶態(tài)交貨的TB3鈦合金小規(guī)格棒材經(jīng)常出現(xiàn)室溫固溶強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象。本研究考察了固溶熱處理中各項(xiàng)參數(shù)對TB3鈦合金小規(guī)格棒材晶粒尺寸和力學(xué)性能的影響，旨在解決生產(chǎn)過程中存在的問題，優(yōu)化固溶熱處理工藝。

1、試驗(yàn)過程

試驗(yàn)所用材料為3次真空自耗電弧熔煉的φ440mmTB3鈦合金鑄錠，經(jīng)過開坯、鍛造、軋制得到的φ18mm、φ10mm的棒材。為保證樣品原始狀態(tài)一致，固溶熱處理試驗(yàn)所用試樣從同一支棒材的中部連續(xù)切取。使用光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。將顯微組織照片中的多邊形等軸β晶粒近似為面積相同的圓形，以直徑表示該β晶粒的晶粒尺寸，并統(tǒng)計(jì)平均晶粒尺寸。使用Instron1185萬能測試機(jī)在室溫下（25℃）測試力學(xué)性能，拉伸應(yīng)變速率為0.00025s^-1。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1固溶溫度

圖1是經(jīng)不同固溶溫度熱處理后的φ18mmTB3鈦合金棒材試樣的顯微組織。其固溶熱處理制度分別為：（a）805℃/30min，AC（AC指空冷，下同）；（b）820℃/30min，AC；（c）835℃/30min，AC；（d）850℃/30min，AC。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，隨著固溶溫度的升高，在β相晶界處殘留的未固溶的α相的含量逐漸減少，等軸β晶粒尺寸逐漸增大。

對不同固溶溫度熱處理后β晶粒的平均晶粒尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，圖2是固溶溫度對φ18mmTB3鈦合金棒材試樣平均晶粒尺寸的影響。從圖中可以看出，固溶溫度對平均晶粒尺寸的影響呈現(xiàn)兩個(gè)階段：當(dāng)固溶溫度小于820℃時(shí)，平均晶粒尺寸增長緩慢，固溶溫度的升高對平均晶粒尺寸的影響不明顯，固溶溫度為805℃和820℃時(shí)平均晶粒尺寸分別為14.13和14.35μm。當(dāng)固溶溫度大于820℃時(shí)，隨著固溶溫度的升高，平均晶粒尺寸顯著增大，當(dāng)固溶溫度為835、850℃時(shí)，平均晶粒尺寸分別為17.93、21.44μm。

圖3為固溶溫度對φ18mmTB3鈦合金棒材試樣室溫力學(xué)性能的影響。由圖可見，對于強(qiáng)度指標(biāo)，當(dāng)固溶溫度小于820℃，抗拉強(qiáng)度下降緩慢；當(dāng)固溶溫度大于820℃時(shí)，隨著固溶溫度的升高抗拉強(qiáng)度迅速下降。抗拉強(qiáng)度隨固溶溫度變化的趨勢與圖2中平均晶粒尺寸隨固溶溫度變化的趨勢相反，抗拉強(qiáng)度隨固溶溫度升高而下降的幅度幾乎相近于平均晶粒尺寸隨固溶溫度升高而增大的幅度。由于完全固溶態(tài)不存在位錯(cuò)、第二相質(zhì)點(diǎn)等影響室溫強(qiáng)度的因素，固溶態(tài)TB3鈦合金棒材室溫強(qiáng)化機(jī)制主要為細(xì)晶強(qiáng)化，室溫強(qiáng)度主要受晶粒尺寸影響，晶粒尺寸越小，強(qiáng)度越高。圖中固溶溫度對于塑性指標(biāo)的影響幅度較小，說明晶粒尺寸對于固溶態(tài)TB3鈦合金棒材室溫塑性影響較小。

2.2冷卻方式

圖4為φ18mmTB3鈦合金棒材試樣805℃/30min固溶熱處理后水淬的顯微組織。相比使用相同固溶溫度和保溫時(shí)間的空冷樣品的顯微組織（圖1（a）），水淬樣品中殘留的α相較少，這是因?yàn)榭焖倮鋮s抑制冷卻過程中α相的析出。空冷樣品和水淬樣品的平均晶粒尺寸分別為14.13、14.02μm，相差較小，說明對于TB3鈦合金小規(guī)格棒材而言，固溶熱處理冷卻階段晶粒沒有足夠的溫度和時(shí)間長大，冷卻方式對晶粒尺寸的影響較小。

通過兩種不同冷卻方式固溶熱處理后的φ18mmTB3鈦合金棒材試樣室溫力學(xué)性能見表1。可以看出，由于不同冷卻方式對平均晶粒尺寸的影響并不明顯，空冷樣品和水淬樣品的抗拉強(qiáng)度相當(dāng)，塑性也基本相同。

2.3保溫時(shí)間

對試樣經(jīng)810℃固溶熱處理后分別保溫40、80min后空冷。φ10mmTB3鈦合金棒材試樣經(jīng)不同保溫時(shí)間固溶熱處理后的顯微組織見圖5。測量統(tǒng)計(jì)其β晶粒平均晶粒尺寸，保溫40min時(shí)平均晶粒尺寸為26.56μm，見圖5（a）；保溫80min時(shí)平均晶粒尺寸為27.40μm，見圖5（b）。

可以看出，固溶熱處理保溫時(shí)間延長到之前2倍，平均晶粒尺寸的增長僅為3.16%，增長幅度很小。這是因?yàn)棣滦外伜辖鹁ЯｉL大傾向很大[7]，固溶溫度下短時(shí)間內(nèi)晶粒迅速長大，再延長保溫時(shí)間，晶粒長大速度趨緩，長大幅度有限。而固溶保溫40min時(shí)晶粒尺寸早已趨于穩(wěn)定，之后即使延長保溫時(shí)間，晶粒尺寸的變化也較小。因此，在短時(shí)間內(nèi)晶粒迅速長大后，繼續(xù)延長固溶保溫時(shí)間對TB3鈦合金棒材晶粒尺寸的影響較小。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，若固溶熱處理時(shí)保溫時(shí)間足以使晶粒尺寸迅速長大并趨于穩(wěn)定，可以推斷，對于固溶熱處理后棒材需要逐根矯直，當(dāng)矯直首末件棒材的固溶保溫時(shí)間相差較大時(shí)，不會對晶粒尺寸產(chǎn)生顯著影響。

2.4重復(fù)固溶熱處理

φ10mmTB3鈦合金棒材試樣經(jīng)810℃固溶分別保溫40、80min，并空冷。后再于810℃重復(fù)固溶熱處理80min后的顯微組織見圖6。測量統(tǒng)計(jì)其β晶粒平均晶粒尺寸，圖6（a）中的平均晶粒尺寸為34.03μm（對應(yīng)的固溶熱處理制度為810℃/40min，AC+810℃/80min，AC），圖6（b）中的平均晶粒尺寸為36.05μm（對應(yīng)的固溶熱處理制度為810℃/80min，AC+810℃/80min，AC）。

將重復(fù)固溶熱處理的累計(jì)保溫時(shí)間與之前首次固溶熱處理保溫時(shí)間一同比較，可以看出，從首次固溶熱處理保溫80min延長到重復(fù)固溶熱處理累計(jì)保溫120min時(shí)，平均晶粒尺寸由27.40μm增大到34.03μm，增幅達(dá)24.20%，這與首次固溶熱處理中從保溫40min延長到保溫80min時(shí)平均晶粒尺寸3.16%的增長幅度比相差很大。將此增幅與重復(fù)固溶熱處理時(shí)從累計(jì)保溫120min延長到累計(jì)保溫160min造成的晶粒尺寸長大幅度（5.94%）相比較，兩者相差也很大。這說明重復(fù)固溶熱處理時(shí)，累計(jì)保溫時(shí)間的增加并不是晶粒尺寸大幅增長的根本原因。

將進(jìn)行重復(fù)固溶熱處理后的兩個(gè)試樣平均晶粒尺寸與首次固溶熱處理后的對應(yīng)試樣平均晶粒尺寸相比，分別增長28.13%和31.57%。

可以看出，兩個(gè)試樣晶粒尺寸均明顯增大且增幅相當(dāng)。這說明，重復(fù)固溶熱處理是晶粒尺寸大幅增大的原因。由于重復(fù)固溶熱處理可以顯著增大TB3鈦合金棒材平均晶粒尺寸，生產(chǎn)中應(yīng)確保固溶熱處理1次完成，避免重復(fù)固溶熱處理。

3、結(jié)論

（1）對于TB3鈦合金小規(guī)格棒材，固溶熱處理時(shí)提高固溶溫度使晶粒尺寸增大，且不同固溶溫度區(qū)間內(nèi)晶粒尺寸的增速不同；固溶熱處理初期晶粒迅速長大后，繼續(xù)延長固溶保溫時(shí)間對晶粒尺寸的影響較小；固溶熱處理后的冷卻方式對晶粒尺寸的影響不明顯。

（2）重復(fù)固溶熱處理，可以顯著增大TB3鈦合金小規(guī)格棒材的晶粒尺寸。

（3）固溶熱處理通過影響晶粒尺寸進(jìn)而對TB3鈦合金小規(guī)格棒材的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，晶粒尺寸越小，棒材的室溫強(qiáng)度越高。

參考文獻(xiàn):

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