固溶處理對TB3小規格鈦合金棒材晶粒尺寸和力學性能的影響

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的亞穩定β型鈦合金。該合金在固溶態可冷加工成型、可焊接，在時效態強韌性匹配良好，因而作為緊固件材料廣泛應用于航空、航天領域[1]。

有關熱處理工藝對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性能之間的關系定量研究尚未見報道。在實際生產過程中，以固溶態交貨的TB3鈦合金小規格棒材經常出現室溫固溶強度不達標的現象。本研究考察了固溶熱處理中各項參數對TB3鈦合金小規格棒材晶粒尺寸和力學性能的影響，旨在解決生產過程中存在的問題，優化固溶熱處理工藝。

1、試驗過程

試驗所用材料為3次真空自耗電弧熔煉的φ440mmTB3鈦合金鑄錠，經過開坯、鍛造、軋制得到的φ18mm、φ10mm的棒材。為保證樣品原始狀態一致，固溶熱處理試驗所用試樣從同一支棒材的中部連續切取。使用光學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，并統計平均晶粒尺寸。使用Instron1185萬能測試機在室溫下（25℃）測試力學性能，拉伸應變速率為0.00025s^-1。

2、試驗結果與分析

2.1固溶溫度

圖1是經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。通過對比可以發現，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行統計計算，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兩個階段：當固溶溫度小于820℃時，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℃時平均晶粒尺寸分別為14.13和14.35μm。當固溶溫度大于820℃時，隨著固溶溫度的升高，平均晶粒尺寸顯著增大，當固溶溫度為835、850℃時，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性能的影響。由圖可見，對于強度指標，當固溶溫度小于820℃，抗拉強度下降緩慢；當固溶溫度大于820℃時，隨著固溶溫度的升高抗拉強度迅速下降。抗拉強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。由于完全固溶態不存在位錯、第二相質點等影響室溫強度的因素，固溶態TB3鈦合金棒材室溫強化機制主要為細晶強化，室溫強度主要受晶粒尺寸影響，晶粒尺寸越小，強度越高。圖中固溶溫度對于塑性指標的影響幅度較小，說明晶粒尺寸對于固溶態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，這是因為快速冷卻抑制冷卻過程中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度相當，塑性也基本相同。

2.3保溫時間

對試樣經810℃固溶熱處理后分別保溫40、80min后空冷。φ10mmTB3鈦合金棒材試樣經不同保溫時間固溶熱處理后的顯微組織見圖5。測量統計其β晶粒平均晶粒尺寸，保溫40min時平均晶粒尺寸為26.56μm，見圖5（a）；保溫80min時平均晶粒尺寸為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。這是因為β型鈦合金晶粒長大傾向很大[7]，固溶溫度下短時間內晶粒迅速長大，再延長保溫時間，晶粒長大速度趨緩，長大幅度有限。而固溶保溫40min時晶粒尺寸早已趨于穩定，之后即使延長保溫時間，晶粒尺寸的變化也較小。因此，在短時間內晶粒迅速長大后，繼續延長固溶保溫時間對TB3鈦合金棒材晶粒尺寸的影響較小。在實際生產過程中，若固溶熱處理時保溫時間足以使晶粒尺寸迅速長大并趨于穩定，可以推斷，對于固溶熱處理后棒材需要逐根矯直，當矯直首末件棒材的固溶保溫時間相差較大時，不會對晶粒尺寸產生顯著影響。

2.4重復固溶熱處理

φ10mmTB3鈦合金棒材試樣經810℃固溶分別保溫40、80min，并空冷。后再于810℃重復固溶熱處理80min后的顯微組織見圖6。測量統計其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（對應的固溶熱處理制度為810℃/80min，AC+810℃/80min，AC）。

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

將進行重復固溶熱處理后的兩個試樣平均晶粒尺寸與首次固溶熱處理后的對應試樣平均晶粒尺寸相比，分別增長28.13%和31.57%。

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

3、結論

（1）對于TB3鈦合金小規格棒材，固溶熱處理時提高固溶溫度使晶粒尺寸增大，且不同固溶溫度區間內晶粒尺寸的增速不同；固溶熱處理初期晶粒迅速長大后，繼續延長固溶保溫時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）重復固溶熱處理，可以顯著增大TB3鈦合金小規格棒材的晶粒尺寸。

（3）固溶熱處理通過影響晶粒尺寸進而對TB3鈦合金小規格棒材的力學性能產生影響，晶粒尺寸越小，棒材的室溫強度越高。

參考文獻:

[1]韓明臣，倪沛彤，舒瀅，等．冷卻速度對TB3合金組織和性能的影響[J]．稀有金屬材料與工程，2008，37(4)：655-657．

[2]張英明，韓明臣，倪沛彤，等．熱處理對TB3鈦合金棒材組織和性能的影響[J].鈦工業進展，2010，27(6)：30-33.

[3]何春艷，葉紅川，曲恒磊，等．熱處理制度對TB3鈦合金組織及性能的影響[J]．熱加工工藝，2011，40(20)：181-182．

[4]劉娣，張利軍，白鈺，等．TB3鈦合金絲材的熱處理工藝[J].熱加工工藝，2013，42(22)：163-166.

[5]邸偉，喬家英，李永兵，等．固溶時效對TB3鈦合金冷鐓緊固件組織與性能的影響[J]．金屬熱處理，2016，41(2)：123-126．

[6]劉娣，劉小花，張晨輝，等．時效工藝對TB3鈦合金絲材組織及力學性能的影響[J]．鑄造技術，2017，38(11)：2616-2618．

[7]《稀有金屬材料加工手冊》編寫組．稀有金屬材料加工手冊[M]．北京：冶金工業出版社，1984：28．