热处理对 TB3钛合金棒材组织和性能的影响

张英明,韩明臣,倪沛彤,陈杜娟,潘志强,朱梅生,董亚军

(西北有色金属研究院,陕西 西安 710016)

热处理对 TB3钛合金棒材组织和性能的影响

张英明,韩明臣,倪沛彤,陈杜娟,潘志强,朱梅生,董亚军

(西北有色金属研究院,陕西 西安 710016)

研究了固溶温度和双重时效温度对 TB3钛合金棒材组织和力学性能的影响。研究结果表明,TB3钛合金棒材的抗拉强度随着固溶温度的升高而降低,其组织中的β晶粒也随着固溶温度的升高而增大。双重时效时,TB3钛合金棒材的抗拉强度随着中温时效温度的升高或低温时效温度的降低而提高;析出的α相随着中温时效温的升高或低温时效温的降低而更加细小和均匀。

钛合金;TB 3;热处理;金相组织;力学性能

1 前 言

亚稳β钛合金与其他钛合金系列比较,由于具有耐蚀性好、比强度高、弹性模量低 (固溶状态)、时效强化和室温塑性好等优点,作为高强结构材料在工业应用中日益受到人们的重视。

TB3钛合金是我国自主研制的亚稳β钛合金,主要用于航空、航天紧固件,其名义成分为 Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5A l,其使用状态主要是固溶状态和时效状态。不同的热处理制度将影响α相的析出,从而影响 TB3钛合金的组织和力学性能[1-4]。本研究考察了不同热处理制度对 TB3钛合金棒材组织和力学性能的影响,旨在优化 TB3钛合金的热处理制度。

2 实验方法

本实验所采用的原材料为 φ8mm轧制棒材,其化学成分见表1。热处理实验分为固溶处理和时效处理。分别在 740,760,780,800,820,840℃下对TB3钛合金棒材进行固溶处理,固溶时间 20m in,空冷。TB3钛合金时效一般采用双重时效制度,在中温保温一定时间后炉冷到低温,再在此温度下长时间保温,然后空冷。时效试样首先在 800℃固溶处理,然后分别改变中温时效温度和低温时效温度进行双重时效处理。具体时效制度见表2。

表1 TB3钛合金棒材化学成分Table 1 Chem ical composition of TB3 alloy bar

表2 TB3钛合金棒材时效制度Table 2 Ageing condition fo r TB3 alloy bar

3 结果与讨论

3.1 固溶温度对合金棒材组织和力学性能的影响

TB 3钛合金经不同温度固溶处理后的组织见图1。可以看出,图1a的组织仍然为模糊的加工态组织,没有明显的β晶粒出现。说明此温度偏低,不能完成合金的固溶。随着固溶温度的升高,组织中出现β晶粒,并且β晶粒尺寸随着温度的升高增大。说明该合金不适合在高温下保温较长时间。图2为棒材经不同温度固溶处理后的力学性能。从结果可以看出,随着温度的升高,抗拉强度呈下降趋势。合金经740℃到760℃处理后强度下降较快,结合组织分析可以认为,在740℃时仍为加工态组织,所以强度较高,而760℃已经发生了再结晶,形成了β晶粒。在固溶后的冷却过程中,β晶粒被保留下来,从而降低了棒材强度。从820℃到840℃强度下降也较快,可能原因为随温度升高,晶粒增长速度增大,引起强度降低。在整个实验温度范围内,随着温度的升高,合金的塑性稳定地提高,但升高幅度很小。总的来说,根据固溶实验结果,TB 3钛合金的固溶温度在 780～820℃之间比较合理。

图1 TB3棒材经不同温度固溶处理后金相照片:(a)740℃; (b)760℃;(c)780℃;(d)800℃;(e)820℃; (f)840℃Fig.1 Metallographs of TB3 alloy bar after solution treatment at different temperature: (a)740℃; (b)760℃; (c)780℃;(d)800℃;(e)820℃;(f)840℃

图2 TB3棒材经不同温度固溶处理后力学性能Fig.2 Mechanical properties of TB3 alloy bar after solution treatment at different temperature

3.2 中温时效温度对组织、性能的影响

图3为 TB3钛合金棒材经过中温时效温度不同的双重时效处理后的金相组织。由图3可以看出,双重时效析出的α相随着中温时效温度的升高而增加,并且更加细小。在较低的中温时效温度下,由于形核析出了α相,在随后的低温时效时,先析出的α相继续长大,并减少了低温时的α相形核,从而使最终析出的α相表现为粗大,析出不均匀。随着中温时效温度的升高,中温时效时析出的α相减少,从而使低温时效时形核析出的α相增多,新析出的α相更加细小。特别是当温度升高到720℃时,中温时效析出的α相已经很少,最终的α相非常细小、密集,已经不能清晰分辨出α相。图4为TB3钛合金棒材经过中温时效温度分别为 660,680, 700,720℃的双重时效处理后的力学性能。由图4可以看出,随着中温时效温度的升高,抗拉强度明显升高,从950M Pa升高到1 080MPa。塑性呈下降趋势,但下降幅度不大,仅 5%左右。为了获得更高的时效强度,中温时效温度取较高的温度是比较合适的。

图3 中温时效温度对 TB3钛合金棒材组织的影响: (a)660℃; (b)680℃;(c)700℃; (d)720℃Fig.3 Influence of different middle temperature aging on micro structure of TB3 alloy bar:(a)660℃;(b)680℃; (c)700℃; (d)720℃

图4 中温时效温度对 TB3钛合金棒材力学性能的影响Fig.4 Influence of different middle temperature aging on mechanical property of TB3 alloy bar

3.3 低温时效温度对组织、性能的影响

图5为 TB3钛合金棒材经低温时效温度不同的双重时效处理后的金相组织。由图5可以看出,双重时效析出的α相随着低温时效温度的升高而减少,并且更加粗大,析出更不均匀。低温时效温度低时,由于析出过程的形核和长大速度都相对减慢,特别是长大速度减慢的更多,使得析出时形核过程得到充分的进行,形核更加均匀,从而使析出的α相更加细小、密集,避免了不析出区的出现。图6为TB3钛合金棒材经过低温时效温度分别为 520,535, 550,565℃的双重时效处理后的力学性能。从图6中可以看出,随着低温时效温度的降低,抗拉强度明显升高,从900M Pa升高到1 240M Pa。塑性随低温时效温度的降低呈下降趋势,低于535℃后,下降趋势增大。为了获得更高的时效强度,在保证塑性指标的前提下,低温时效温度取较低的温度比较合适。

图5 低温时效温度对 TB3钛合金棒材金相组织的影响:(a)520℃;(b)535℃;(c)550℃;(d)565℃Fig.5 Influence of different low temperature aging on micro structure of TB3 bar:(a)520℃;(b)535℃;(c)550℃; (d)565℃

图6 低温时效温度对 TB3钛合金棒材力学性能的影响Fig.6 Influence of different low temperature aging on mechanical property of TB3 bar

4 结 论

(1)TB3钛合金棒材抗拉强度随着固溶温度的升高而降低,其组织中的β晶粒尺寸也随着固溶温度升高而增大。TB 3钛合金棒材合理的固溶温度在 780～820℃之间。

(2)双重时效时,TB3钛合金棒材的抗拉强度随着中温时效温度的升高而提高,时效析出的α相也随着温度升高而更加细小和均匀。

(3)双重时效时,TB3钛合金棒材的抗拉强度随着低温时效温度的降低而提高,时效析出的α相也随着温度降低而更加细小和均匀。

[1]张树启,谢丽英,蒙良,等.航空螺栓用 Ti-22合金棒材性能[J].稀有金属材料与工程,1991,20(1):37-42.

[2]谢丽英,张树启,朱玉斌.航空用 Ti-22合金螺栓头部粗大组织的研究 [J].稀有金属材料与工程,1989,18 (4):20-24.

[3]张颖楠,李明强,张树启.热加工对 TB3合金纤维组织与性能的影响[J].金属热处理,2000(9),14-15.

[4]葛鹏,赵永庆,周廉.β钛合金的强化机理[J].材料导报,2005,19(12):52-55.

Influence of Heat Treatment on Microstructures and Mechanical Properties of TB3 Titanium Alloy

Zhang Yingming,Han Mingchen,Ni Peitong,Chen Dujuan,Pan Zhiqiang,Zhu Meisheng,Dong Yajun
(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi'an 710016,China)

The influence of solution temperature and double aging temperature on the micro structure and properties of TB3 bar was studied. The results show that tensile strength decreases,and β grain size increases with the solution temperature increase. In the double aging case, tensile strength increases,and precipitated α phase becomes finer and more homogeneous with increase of middle aging temperature and with decrease of low aging temperature.

titanium alloy;TB3;heat treatment;microstructure;mechanical property

2010-07-28

张英明 (1975-),男,博士,高级工程师,电话:029-86230908。