航空航天飛行器用高強韌TB8鈦合金棒材的熱處理制度

TB8鈦合金以其高比強度、優異的冷加工性、高抗氧化性和良好的抗腐蝕能力，在航空航天飛行器超高強度緊固件、彈性組件及結構件中被廣泛應用［1-2］。

通過固溶時效熱處理工藝對其組織進行調控可以顯著影響TB8鈦合金的力學性能。近年來，學者對緊固件用TB8鈦合金做了大量研究，張利軍等［3］研究了1300MPa級、伸長率為5%的超高強度TB8鈦合金熱處理工藝;馬權等［4］提出雙態區固溶+時效后可以使TB8鈦合金保持較好的塑形，此時時效強度為1150MPa。隨著我國航空航天事業的迅速發展，對緊固件用TB8鈦合金材料的性能指標提出了更高的要求。研究表明，TB8鈦合金在獲得高強度的同時其塑性也受到了限制，塑性增加后又無法滿足超高強度的性能要求，因此，研究綜合性能優異的高強韌緊固件用TB8鈦合金具有重要意義。

本文研究了不同固溶時效熱處理制度對TB8鈦合金棒材組織及性能的影響規律，提出了高強韌TB8鈦合金棒材的固溶時效熱處理制度，為TB8鈦合金棒材工程應用熱處理工藝的選擇提供參考。

1、試驗材料及方法

1.1試驗材料

試驗材料選用經過3次真空自耗電弧爐熔煉而成的TB8鈦合金鑄錠，化學成分如表1所示。鑄錠經鍛造+軋制工藝制備出規格為φ15mm的鈦合金棒材，熱加工態顯微組織如圖1所示，主要為α+β兩相區變形組織。

1.2試驗方法

對TB8鈦合金棒材進行固溶處理，固溶溫度800、850、890℃，保溫時間10、30、60和120min，水冷(WQ);在最優固溶工藝的基礎上對其進行時效處理，時效溫度520℃，保溫時間4、6、8、10、12h，空冷(AC)。分析固溶溫度及保溫時間對TB8棒材組織及性能的影響規律，分析時效熱處理中不同保溫時間TB8棒材的組織及性能變化。熱處理前后TB8鈦合金棒材的顯微組織采用OlympusPMG-3型顯微鏡進行觀察，采用INSTＲON電子萬能試驗機對其室溫拉伸性能進行測試。

2、試驗結果及討論

2.1固溶溫度對TB8鈦合金棒材組織性能的影響

TB8鈦合金棒材在800、850、890℃，分別保溫60min后，顯微組織如圖2所示。可以看出，TB8鈦合金在800℃固溶處理時，顯微組織為α+β的兩相組織，即在β晶粒的基體上分布著大量未轉變的初生α相(α_p)顆粒，β晶粒呈長條狀。隨著固溶溫度的升高，α_p相含量逐漸減少，同時伴隨β晶粒長大，當固溶溫度為850℃時，顯微組織主要為等軸β晶粒，晶界處仍存在少量的α_p相。當固溶溫度達到890℃時，α_p相消失，顯微組織為完全固溶后的單相等軸β晶粒，β晶粒表面有浮凸形貌和少量黑色點狀物，這主要與材料在熱處理后快冷過程中發生馬氏體相變有關［5］。

表2為TB8鈦合金棒材經不同溫度固溶處理后的力學性能。可以看出，隨著固溶溫度的升高，材料的抗拉強度逐漸降低，但塑性升高。這是由于β鈦合金在固溶處理過程中，隨著固溶理溫度的升高，α_p相逐漸轉為高溫等軸β相，在后續冷卻過程中，高溫β相會轉變為不穩定的室溫亞穩β相，這種亞穩β相可以使材料表現出優異的塑性和較低的強度，因此，β鈦合金更有利于冷加工成形［6］。高溫β相含量越高，冷卻后轉變成的亞穩β相含量也隨之增加，同時伴隨著材料的塑性提高、強度降低。

2.2固溶時間對TB8鈦合金棒材組織性能的影響

對TB8鈦合金棒材在890℃進行固溶處理，分別保溫10、30、60、120min，其顯微組織如圖3所示。可以看出，在890℃固溶處理后，合金顯微組織均為單相等軸β晶粒，隨著固溶時間的延長，β晶粒尺寸逐漸長大，不同固溶時間下的平均晶粒尺寸分別為42、60、85、130μm。

表3為不同固溶時間下TB8鈦合金棒材的力學性能。不同保溫時間下棒材的塑性變化不大，但隨著固溶時間的延長，棒材的抗拉強度降低，這主要與晶粒尺寸有關。Hall-Petch關系式已明確表明，在常規晶粒尺寸的材料中，晶粒尺寸越細小，材料的強度和塑性就越高［2］。綜合選擇890℃、保溫30min為TB8鈦合金棒材的固溶處理工藝，此時材料的強塑性匹配最佳。

2.3時效處理對TB8鈦合金棒材組織及性能的影響

時效主要是在一定溫度和時間范圍內使固溶產生的亞穩相發生脫溶分解，析出第二相，最終得到更加穩定的兩相組織［7-8］。時效溫度對TB8鈦合金性能的影響顯著，低溫時效會影響次生α相(α_s)的析出，使其彌散度不均，導致材料塑性下降，高溫時效又會使α_s相迅速長大，影響材料的強度［9］。合理的固溶時效工藝可以使TB8鈦合金獲得良好的強塑性匹配。890℃×30min固溶處理后的TB8鈦合金棒材，經時效溫度520℃，保溫時間4、6、8、10、12h處理后的組織形貌如圖4所示。可見，固溶時效處理后，棒材顯微組織中析出大量細小片層次生α_s相。當保溫時間為4h時，在β晶粒的晶內及晶界析出了大量α_s相，但晶內仍有部分未沉淀區;當保溫時間為6h時，僅有少量β晶粒內存在未沉淀區，隨著保溫時間的延長，α_s相析出逐漸均勻彌散。

時效處理時，隨著保溫時間的延長，TB8鈦合金棒材的力學性能見圖5。可以看出，時效處理后TB8鈦合金棒材強度顯著提高，同時塑性降低。根據文獻［10］，這是因為α_s相是亞穩β鈦合金的主要強化機制，α_s相的形態主要呈片層狀，β型鈦合金時效后的組織中析出大量交錯排列的α_s條，條間界面能夠阻礙滑移的進行，使變形更加困難，α_s相含量越多，晶粒越細小，材料的強度越高，因此，β型鈦合金時效后強度變高。結合顯微組織可以看出，時效保溫4h時，α_s相未完全析出，因此，強度最低，隨著時間的延長，α_s相含量逐漸增加，并在β晶界及晶內均勻彌散析出，棒材的抗拉強度逐漸升高并最終趨于穩定。

同時，α_s相含量及其沉淀析出的均勻性對TB8鈦合金的塑形影響顯著，α_s相越細小，分布越均勻彌散，在提高材料強度的同時還會有較好的塑性［11］。隨著時效保溫時間的延長，α_s相晶粒長大，材料的塑形呈逐漸降低趨勢。當時效時間為8h時，棒材的時效強度達1286MPa，并保留較好的塑形。推薦TB8鈦合金最佳的固溶時效處理制度為:890℃×30min，WQ+520℃×8h，AC。

3、結論

1)TB8鈦合金棒材在890℃固溶處理時，可以獲得單一等軸β組織，隨著固溶保溫時間的延長，β晶粒逐漸長大，強度逐漸降低。經890℃×30min，水冷固溶處理后，具有最佳的強塑性匹配。

2)TB8鈦合金棒材時效熱處理后，顯微組織中析出大量細小片層交錯的次生α相，使棒材的強度顯著增高，塑性降低。在520℃下保溫8h時效處理后，棒材抗拉強度可以達到1286MPa，并保留較好的塑形。推薦TB8鈦合金棒材的固溶時效熱處理制度為:890℃×30min，WQ+520℃×8h，AC。

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