成分和Mo當(dāng)量對(duì)TB3合金棒材組織及性能的影響

李修勇，劉彥昌，，朱寶輝，，沈立華，胡革全，陳勝川

（1.中色（寧夏）東方集團(tuán)有限公司，寧夏 石嘴山 753000；2.寧夏中色金航鈦業(yè)有限公司，寧夏 石嘴山 753000）

TB3合金是一種可熱處理強(qiáng)化的亞穩(wěn)定β型鈦合金（名義成分為Ti-10Mo-8V-3.5Al-1Fe），該合金固溶處理狀態(tài)具有優(yōu)異的冷成形性能，其冷鐓比(Dt/Do)可達(dá)到2.8，固溶時(shí)效熱處理后可獲得較高的強(qiáng)度，主要用于航空、航天領(lǐng)域制造高強(qiáng)度緊固件[1]。

通常該合金的棒材以固溶狀態(tài)供貨，經(jīng)冷鐓成形后以時(shí)效狀態(tài)使用，因而在合金熱處理制度及熱加工工藝對(duì)其組織性能影響方面的相關(guān)研究較多[1-6]。但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，即使在相同的熱處理?xiàng)l件下也存在組織及性能波動(dòng)較大的現(xiàn)象，究其原因，是主合金元素含量控制不當(dāng)所致。由于TB3合金是一種Mo含量較高且Mo當(dāng)量很高的鈦合金，所以主合金元素含量以及Mo當(dāng)量的控制對(duì)于合金的組織和性能調(diào)控非常重要。本文通過(guò)對(duì)Al、Mo和V主合金元素含量的調(diào)整，研究了主合金元素含量以及Mo當(dāng)量對(duì)TB3合金棒材熱處理組織和性能的影響，為獲得合理的元素含量控制范圍以及后續(xù)組織性能的優(yōu)化控制提供參考。

1 試驗(yàn)方法

采用50kg真空自耗電弧爐，通過(guò)三次熔煉獲得不同成分配比的TB3鑄錠，化學(xué)成分分析結(jié)果及相變點(diǎn)溫度和Mo當(dāng)量的計(jì)算結(jié)果見表1。鑄錠經(jīng)過(guò)熱鍛造和熱軋工序加工成φ8mm的棒材，然后進(jìn)行固溶和時(shí)效熱處理。固溶熱處理制度為800℃/20min，水冷（WC），時(shí)效熱處理制度為700℃ /30min，爐冷（FC）+535℃ /16h，水冷（WC）。

對(duì)熱處理后的棒材進(jìn)行取樣，拉伸試樣按照GB/T228標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制樣，采用INSTRON 4505電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，顯微組織用Leica MM-6金相顯微鏡進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 成分和Mo當(dāng)量對(duì)合金固溶處理組織及性能的影響

圖1是三種成分TB3合金棒材經(jīng)800℃×20min固溶處理后的顯微組織。由圖1可見，隨著合金元素含量和Mo當(dāng)量的增加，固溶后合金的晶粒有所細(xì)化，尤其是當(dāng)Mo和V含量同時(shí)提高、Mo當(dāng)量達(dá)到18.5時(shí)，晶粒細(xì)化更加顯著，平均晶?？梢赃_(dá)到25μm。其中β穩(wěn)定元素對(duì)合金的晶粒細(xì)化作用較為顯著，如圖1 c所示。當(dāng)Mo當(dāng)量很高時(shí)，由于β穩(wěn)定合金元素含量接近臨界濃度，合金的相變點(diǎn)溫度也進(jìn)一步降低(728℃)，當(dāng)固溶處理快速冷卻時(shí)，在冷卻過(guò)程中β相來(lái)不及完全分解，保留了少量的亞穩(wěn)定β相，這些亞穩(wěn)定β相會(huì)在后續(xù)的時(shí)效熱處理過(guò)程中進(jìn)一步分解析出α強(qiáng)化相。

表1 TB3合金鑄錠的化學(xué)成分、相變點(diǎn)和Mo當(dāng)量

圖1 成分及Mo當(dāng)量對(duì)TB3合金固溶后顯微組織的影響

圖2 成分及Mo當(dāng)量對(duì)TB3合金固溶力學(xué)性能的影響

由圖2可知，隨著合金元素含量和Mo當(dāng)量的增加，合金固溶后的強(qiáng)度也隨之升高，而延伸率和斷面收縮率并沒有隨之降低。其中，當(dāng)合金中Al含量增加0.4%左右(合金2與合金1相比)，固溶后合金的抗拉強(qiáng)度增加了約30MPa，當(dāng)合金中Mo含量增加0.2%和V含量增加0.5%時(shí)(合金3與合金2相比)，固溶后合金的抗拉強(qiáng)度也增加了約30MPa；而當(dāng)合金中Mo含量增加0.2%，Al和V含量同時(shí)增加0.5%左右時(shí)(合金3與合金1相比)，固溶后合金的抗拉強(qiáng)度增加了約60MPa。但隨著合金元素含量的增加強(qiáng)度上升的同時(shí)，合金的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率并沒有明顯下降，仍保持較高的塑性。

2.2 成分和Mo當(dāng)量對(duì)合金時(shí)效熱處理組織及性能的影響

圖3是三種成分TB3合金棒材經(jīng)700℃/30minFC+535℃/16h時(shí)效處理后的顯微組織。由圖3可見，效態(tài)組織都是在亞穩(wěn)β相中析出了α相，且α相優(yōu)先在晶粒的晶界處析出。在圖3a中，由于Mo當(dāng)量較低，在固溶處理時(shí)能夠保留的亞穩(wěn)β相的量不足，亞穩(wěn)β相分解析出的α相的數(shù)量也較少，所以出現(xiàn)了α相在晶界大量析出和晶內(nèi)的不均勻析出，形成了在β相內(nèi)α相的不均析出組織。但隨著合金元素含量和Mo當(dāng)量的增加，在固溶處理時(shí)能夠保留足夠的亞穩(wěn)β相，所以時(shí)效過(guò)程中在β晶粒中析出的α相則更加均勻和彌散（見圖3b和圖3c）。

圖3 成分及Mo當(dāng)量對(duì)TB3合金時(shí)效顯微組織的影響

由圖4可知，隨著合金元素含量和Mo當(dāng)量的增加，時(shí)效后的拉伸性能變化趨勢(shì)和固溶處理一致，強(qiáng)度隨之增加，塑性保持較為穩(wěn)定的水平。其中，合金中Al含量增加0.5%左右（合金2與合金1相比），時(shí)效后合金的抗拉強(qiáng)度增加了約130MPa，當(dāng)合金中Mo含量增加0.2%和V含量增加0.5%時(shí)（合金3與合金2相比），時(shí)效后合金的抗拉強(qiáng)度也增加了約50MPa，而當(dāng)合金中Mo含量增加0.2%，Al和V含量同時(shí)增加0.5%左右時(shí)（合金3與合金1相比），時(shí)效后合金的抗拉強(qiáng)度增加了約180MPa。由以上分析可以看出，隨著合金元素含量和Mo當(dāng)量的增加，合金時(shí)效后的強(qiáng)度強(qiáng)化比較明顯（合金3的強(qiáng)度達(dá)到了1173MPa），而斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率下降幅度較低（合金3與合金1相比，分別約為7%和6%），仍保持了良好的塑性（合金3的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率分別為14.5%和49.5%），使合金獲得了良好的強(qiáng)度和塑性匹配的結(jié)果。

圖4 成分及Mo當(dāng)量對(duì)TB3合金時(shí)效力學(xué)性能的影響

3 結(jié)論

（1）隨著合金元素含量和Mo當(dāng)量的增加，TB3合金固溶處理后的晶粒有所細(xì)化，平均晶粒可以達(dá)到20μm，時(shí)效過(guò)程中在β晶粒中析出的α相則更加均勻和彌散；

（2）隨著合金元素含量和Mo當(dāng)量的增加，固溶和時(shí)效后的拉伸性能變化趨勢(shì)基本一致，強(qiáng)度隨之增加，塑性下降幅度較低，仍保持了良好的塑性；

（3）選擇較高的合金元素含量和Mo當(dāng)量，可以使TB3合金固溶時(shí)效后的強(qiáng)度達(dá)到1173MPa,斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率分別為14.5%和49.5%,獲得了良好的強(qiáng)度和塑性匹配。