轧制温度和热处理对TB9钛合金棒材组织和性能的影响

郭金明，任 璐，倪沛彤，麻西群，朱梅生，吴 欢

(西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)



轧制温度和热处理对TB9钛合金棒材组织和性能的影响

郭金明，任 璐，倪沛彤，麻西群，朱梅生，吴 欢

(西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

研究了轧制温度和热处理制度对TB9钛合金棒材显微组织及力学性能的影响。结果表明：在800、850、930 ℃下轧制的TB9钛合金棒材经810 ℃×30 min/WQ固溶后，显微组织均为等轴β组织，930 ℃下轧制的棒材组织更加均匀，轧制温度对棒材固溶后的力学性能影响较小。经510 ℃×12 h/AC时效处理后，棒材的强度和塑性等综合性能随轧制温度的升高变化不大，抗拉强度全部大于1 300 MPa，屈服强度大于1 200 MPa，延伸率大于10%，能够满足某零件对材料的要求。此外，TB9钛合金的强度随时效温度的上升而减小，而塑性逐渐增加。

轧制温度；热处理；TB9钛合金；显微组织；力学性能

0 引 言

TB9钛合金(名义成分为Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr)是一种亚稳β钛合金，钼当量约19.6，在730 ℃即可发生α→β相变，通过处理后极限强度可达1 400 MPa以上，具有密度低、强度高、耐蚀、冷加工和抗疲劳性能优异等特点，常被用来制造弹簧、石油气管路控制装置和各类紧固件等[1]。作为β型钛合金，TB9钛合金在加工过程中具有较好的冷成形能力，但是变形温度低往往会造成合金的微观组织破碎不充分，而变形温度过高则容易引起合金在高温下形成粗大晶粒。因此在生产TB9等β钛合金时，合适的轧制温度是保证合金棒材获得良好组织和力学性能的首要条件。

本研究对比了不同轧制温度对固溶态和固溶时效态TB9钛合金棒材组织和性能的影响，以获得能够满足某零件对抗拉强度大于1 300 MPa、屈服强度大于1 200 MPa且延伸率大于10%要求的轧制温度；并对该轧制温度下生产的棒材进行了不同温度的时效处理，研究了TB9钛合金在不同时效制度下组织和性能的变化规律。

1 实 验

1.1 材料制备

选用一级海绵钛、铝豆和中间合金压制成电极，采用真空自耗电弧炉经二次熔炼得到φ360 mm的TB9

钛合金铸锭，其相变温度为730 ℃，化学成分见表1。采用12.5MN快锻机在1 150 ℃对铸锭进行拔长开坯，得到100 mm×100 mm的方棒，采用精锻机在950 ℃下将方棒精锻为φ50 mm的圆棒，然后对圆棒进行扒皮并打磨处理表面缺陷。

表1 TB9钛合金铸锭的化学成分(w/%)

1.2 实验方案

在TB9钛合金相变点以上70、120、200 ℃，即在800、850、930 ℃将φ50 mm的毛坯棒材一火次轧制成φ10 mm的棒材，所用设备为125型横列式轧机。β钛合金通常在其相变点以上40～80 ℃固溶，然后进行(450～560) ℃×(8～24) h时效[2]。因此本实验为不同轧制温度的TB9钛合金棒材选择的固溶制度为810 ℃×30 min/WQ，时效制度为510 ℃×12 h/AC。用Olympus光学显微镜观察轧制温度对棒材固溶态和固溶时效态显微组织的影响，并在Instron 5985型拉伸试验机上进行室温拉伸性能测试。

通过以上实验选择较佳的轧制温度，并为较佳轧制温度下轧制的棒材选择810 ℃×30 min/WQ+460 ℃×12 h/AC和810 ℃×30 min/WQ+ 560 ℃×12 h/AC两组热处理实验，并对其进行相应的高倍组织分析和力学性能检测，摸清热处理对TB9钛合金的组织和力学性能的影响。

2 结果与讨论

2.1 轧制温度对固溶态合金组织的影响

在800、850、930 ℃下轧制并经810 ℃×30 min/WQ固溶后的TB9钛合金棒材的显微组织见图1。

图1 不同温度轧制的TB9钛合金棒材固溶处理后的金相照片

从图1可以看出，3种不同轧制温度下获得的固溶态合金其基体显微组织均为等轴β组织，且轧制温度越低，合金的晶粒越细小。但低温轧制往往会在微观组织中形成明显的变形死区，轧制温度越低变形死区的范围越大，从而难以获得均匀的微观组织[3]。图1a中明显可见弥散分布的细小颗粒，这与大多数亚稳β钛合金在相变点以上可能形成的淬火斜方α″马氏体有关[3]，随着轧制温度的升高，基体内弥散分布的颗粒减少，930 ℃时(图1c)基体内几乎没有弥散分布的颗粒。当轧制温度为850 ℃时(图1b)，显微组织及晶粒尺寸变化不明显，平均晶粒尺寸基本仍保持在10～20 μm。但当轧制温度上升至930 ℃时(图1c)，微观组织的均匀性得到明显改善，晶界相对圆润，晶内的细小析出物颗粒几乎消失，但在高温下轧制也使得平均晶粒尺寸长大至约40 μm，但仍在合理范围以内。TB9钛合金的相变点仅730 ℃，在其相变点以上进行变形，由于β相中原子的扩散系数大，当加热温度超过相变点以后，β相长大的倾向性随之增大，易出现粗大的β晶粒，因此TB9钛合金的轧制温度不宜过高。

2.2 轧制温度对固溶态合金力学性能的影响

表2为不同温度下轧制的TB9钛合金棒材经810 ℃×30 min/WQ固溶处理后的室温力学性能。TB9钛合金棒材在经过800、850、930 ℃轧制并固溶后，虽然轧制温度相差130 ℃，但930 ℃轧制并固溶的棒材强度较800 ℃轧制的棒材仅降低了42 MPa，而塑性几乎一致。可见当TB9钛合金棒材在相变点以上70～200 ℃的温度范围内轧制后，轧制温度对后续的棒材固溶态力学性能的影响并不剧烈。

表2 不同温度轧制的TB9钛合金棒材固溶处理后的力学性能

2.3 时效处理对合金组织的影响

作为亚稳β型钛合金，TB9钛合金具有淬透性好的特点，由于该合金的相变组织复杂，导致其力学性能的调整范围较宽[2]。在固溶和时效的条件下，能够使六方结构的α相从β相中脱溶析出，得到α相和β相混合的组织，从而使合金的强度达到一个很高的水平。通常认为，亚稳β相钛合金在一定的温度下时效时，微观组织在形成α+β的平衡相之前会形成β′、ω、α相的沉淀。β′相不能增加合金的强度，而ω相虽然能够显著提高亚稳钛合金的强度，但同时会强烈降低合金的韧性。亚稳β钛合金中的α相通常被作为基体中的硬化沉淀相使用，由时效形成的α相的形状、大小和体积分数等均对TB9钛合金的强度具有重要作用。据报道，TB9钛合金在510 ℃时效后可形成相互交叉的α相组织[3]。TB9钛合金在800 ℃轧制并固溶时效后，其显微组织(图2a)遗传了其变形组织中晶粒尺寸不均一的特点，时效后的微观组织中，晶界处出现了大量的α析出物，晶界两侧的α析出物区域很宽，晶粒内也出现了较多的α析出物，一些尺寸较小的晶粒几乎完全被α析出物覆盖。随着轧制温度的升高，晶粒尺寸逐渐均匀，α析出物几乎全部出现在晶界两侧，晶界两侧析出物的区域逐渐变窄。轧制温度升至930 ℃时(图2c)，清晰可见等轴β晶内析出细小、弥散的针状α相，并且晶界变宽。

图2 不同温度轧制的TB9钛合金棒材固溶时效处理后的金相照片

2.4 时效处理对合金力学性能的影响

表3为经固溶时效处理后TB9钛合金棒材的力学性能。800、850、930 ℃下轧制的棒材经相同固溶时效制度810 ℃×30 min/WQ+510 ℃×12 h/AC处理后，抗拉强度分别达到1 375、1 362、1 397 MPa，屈服强度均达到1 200 MPa以上，延伸率都达到10%以上，具备了较好的强塑性匹配，且随着轧制温度的升高，TB9钛合金棒材经固溶时效处理后强度和塑性的变化幅度均不大，仍然保持在同一水平。

综合比较3种温度轧制并经固溶及固溶时效处理后TB9钛合金棒材的显微组织和力学性能，可以得出：3种温度轧制并经810 ℃×30 min/WQ+510 ℃×12 h/AC处理后，TB9钛合金棒材均能满足某零件对材料力学性能的要求，但930 ℃下轧制的TB9钛合金棒材固溶后的显微组织更加均匀，时效后的α析出物细小、弥散。因此，选择930 ℃为本实验中TB9钛合金棒材的最佳轧制温度。

表3 轧制温度和热处理制度对TB9钛合金棒材力学性能的影响

针对930 ℃轧制的TB9钛合金棒材，又进行了810 ℃×30 min/WQ+460 ℃×12 h/AC和810 ℃×30 min/WQ+560 ℃×12 h/AC的固溶时效处理，结果见表3。经460 ℃×12 h/AC时效后的TB9钛合金棒材强度最高，达到1 556 MPa，断面延伸率为7.5%。而560 ℃×12 h/AC时效处理后，棒材抗拉强度为1 229 MPa，断面延伸率为15.5%，可见当时效温度升高100 ℃后，合金强度下降幅度达300 MPa以上，但塑性却提高了一倍。这是由于亚稳β钛合金在不同时效温度下易形成ω和α两种亚稳相，且不同温度下这两种相的分布、尺寸和形貌均存在差异，造成了TB9钛合金强度可以在较宽的范围内进行调整。因此，通过不同的加工工艺和热处理工艺能够得到不同强度等级的TB9钛合金棒材，获得综合性能较佳的高强度高塑性匹配。

3 结 论

(1)3种不同轧制温度下获得的固溶态TB9钛合金基体显微组织全部为等轴β相组织，轧制温度越低，合金晶粒越细小，但易造成组织不均匀，同时组织中的析出物也较多，而提高轧制温度至930 ℃能够避免此类现象发生。

(2)轧制温度对TB9钛合金固溶处理后的强度影响范围小于50 MPa，再经510 ℃×12 h/AC时效后，抗拉强度大于1 300 MPa，屈服强度大于1 200 MPa，延伸率大于10%。

(3)经930 ℃轧制和810 ℃×30 min/WQ固溶的TB9钛合金棒材经不同温度时效处理后，合金的强度和塑性变化较大，时效温度上升100 ℃，合金强度降幅在300 MPa以上，而塑性显著提高。

[1] 莱茵斯 C，皮特尔斯 M．钛及钛合金[M]．陈振华，译．北京：化学出版社，2005：240-253.

[2] Mantani Y, Tajima M.Phase transformation of quenchedα″ martensite by aging in Ti-Nb alloys[J].Material Science and Engineering A, 2006(438/440):315-319.

[3] 稀有金属材料加工手册编写组．稀有金属材料加工手册[M]．北京：冶金工业出版社，1984：30.

国内外新闻

攀钢首次成功锻制钛管成品

8月25日，攀钢集团江油长城特殊钢有限公司精锻机组首次锻制钛管成品获得成功。标志着攀钢集团在重点、难点特殊品种成品锻制方面取得了新进展。2015年7月底，攀钢集团江油长城特殊钢有限公司接到精锻机直接锻制某牌号钛管成品的生产订单。这是该公司精锻机组首次承担锻制钛管成品任务，因生产工艺复杂，操作难度大，公司组织了设备、技术及生产骨干人员，一方面对合同进行评审和技术交底，另一方面按照合同要求精心准备。在生产过程中，技术人员紧盯设备运行情况，及时调整精锻机组产能状态，准确控制加热温度和加热质量，为钛管锻制创造了良好的生产条件。同时，公司加强现场测控和研究，制定了锻制钛管成品专用工具和专门锻制工艺，在锻制过程中严格按照工艺要求精心操作，力求做到锻制一支成功一支。据了解，该批次共7支钛管成品顺利锻制完毕，一次性通过客户质量检验并交付使用。

(秦勇)

Effects of Rolling Temperature and Heat Treatment on Microstrucures and Mechanical Properties of TB9 Titanium Alloy Rods

Guo Jinming,Ren Lu,Ni Peitong,Ma Xiqun,Zhu Meisheng,Wu Huan

(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi’an 710016, China)

The effects of rolling temperature and heat treatment on microstructures and mechanical properties of TB9 titanium alloy rods were studied in this research. The results indicate that the microstructure of the alloy is equiaxedβgrain when rolled at 800 ℃, 850 ℃ and 930 ℃ and then solid solutioned at 810 ℃ for 30 minutes. The grain size is uniform when the rolling temperature is 930 ℃. Rolling temperature has little influence on microstructures and mechanical properties of solid solutioned TB9 titanium alloy rods. After aged at 510 ℃ for 12 hours, the rods with different rolling temperatures have almost coherent mechanical properties, the tensile strength is above 1 300 MPa, the yield strength is above 1 200 MPa, and the ductility is above 10%, which can match the application required. Otherwise, as the aging temperature rised, the tensile strength of TB9 titanium alloy rods is reduced and the ductility is increased.

rolling temperature; heat treatment; TB9 titanium alloy; microstructure;mechanical properties

2015-03-03

郭金明(1981—)，男，工程师。