不同熱處理工藝對(duì)BT23鈦合金棒材顯微組織及力學(xué)性能的影響

馬元杰　劉繼雄　魏高燕　朱玉香

摘 要：文章研究了不同熱處理工藝對(duì)BT23（Ti-6Al-2Mo-4.5V-1Cr-0.7Fe）合金顯微組織及力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，再結(jié)晶退火并不能強(qiáng)化BT23鈦合金，而固溶+時(shí)效熱處理可以起到明顯強(qiáng)化效果。隨著固溶溫度的提高，BT23合金強(qiáng)度及硬度提高，塑性及剪切強(qiáng)度下降。

關(guān)鍵詞：BT23合金；再結(jié)晶退火；固溶溫度；室溫拉伸；硬度；剪切強(qiáng)度；顯微組織

中圖分類號(hào)：TG1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）04-0103-03

Abstract： The effects of different heat treatment processes on the microstructure and mechanical properties of BT23 （Ti-6Al-2Mo-4.5V-1Cr-0.7Fe） alloy were studied. The results show that recrystallization annealing can not strengthen the BT23 titanium alloy， but solution+aging heat treatment can play a significant strengthening effect. With the increase of solution temperature， the strength and hardness of BT23 alloy increase， while the plasticity and shear strength decrease.

Keywords： BT23 alloy； recrystallization annealing； solution temperature； room temperature tensile； hardness； shear strength； microstructure

BT23合金，作為Ti-Al-Mo-4V-Cr-Fe系鈦合金中的典型牌號(hào)，其名義成分為Ti-6Al-2Mo-4.5V-1Cr-0.7Fe。是一種中等合金化的馬氏體型α+β鈦合金，由前蘇聯(lián)于1969年研制成功。由于含有大量的β穩(wěn)定元素，壓力加工時(shí)具有高的工藝塑性和顯著的時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng)，該合金具有高強(qiáng)、高的抗裂性和良好的焊接性能。BT23鈦合金的使用狀態(tài)為退火和熱強(qiáng)化態(tài)（水淬+時(shí)效）。BT23鈦合金可制作半成品薄板、棒材、鍛件、模鍛件、管件和其他半成品。在前蘇聯(lián)已列入航空部門OCT標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，并在航空和航天部門獲得廣泛應(yīng)用[1]。

BT23鈦合金當(dāng)中，Al是鈦合金中最重要的固溶強(qiáng)化元素，可提高其室溫和高溫強(qiáng)度、α/β相變點(diǎn)，再結(jié)晶溫度、彈性模量等。若Al添加量超過7.5%，會(huì)導(dǎo)致α2（Ti3Al）相的析出，降低合金塑性、韌性及熱穩(wěn)定性。Mo元素提高合金強(qiáng)度、耐熱性、耐蝕性和淬透性，且含量越高，淬透性越好。但Mo含量過大，易形成夾雜和偏析，對(duì)合金的塑性、抗氧化性和可焊性不利。V與β鈦形成無限固溶體，在α鈦中有限固溶，固溶度隨著溫度降低而略增加，不存在過飽和α相分解問題，可提高室溫強(qiáng)度、淬透性和冷成形性，而不降低合金的塑性，是中強(qiáng)和高強(qiáng)鈦合金最常用的添加元素。Cr元素在β鈦中無限固溶，在670℃發(fā)生β→α+TiCr共析轉(zhuǎn)變，主要起固溶強(qiáng)化作用，可提高合金的塑性、韌性和淬透性，但易偏析，形成β斑。Fe作為最強(qiáng)的慢共析β穩(wěn)定元素，每添加1%的Fe，α/β相變點(diǎn)下降約18℃，可顯著提高鈦合金的淬透性。在590℃發(fā)生β→α+TiFe共析轉(zhuǎn)變，TiFe相析出會(huì)大幅降低合金的塑性、韌性。另外Fe易形成偏析和β斑等冶金缺陷。

BT23合金添加了適量的Al、Mo、V、Cr、Fe等合金元素，Mo當(dāng)量為7.88，淬透性為2.89，達(dá)到了強(qiáng)化合金、提高淬透性的同時(shí)，避免了由于Mo、Cr、Fe元素的添加帶來的冶金缺陷。

本文通過研究不同熱處理工藝，對(duì)BT23鈦合金顯微組織、室溫拉伸、剪切強(qiáng)度、硬度等性能的影響，對(duì)小規(guī)格BT23棒材的生產(chǎn)具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

試驗(yàn)用料為寶雞鈦業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的規(guī)格：Ф18mm軋制棒材，軋制溫度在β轉(zhuǎn)-40℃，變形量為85%左右。棒材化學(xué)成分如表1，β相變點(diǎn)的實(shí)測(cè)值為：910℃～920℃。原始棒材顯微組織如圖1所示。固溶時(shí)效熱處理制度如表2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同熱處理工藝獲得的BT23合金棒材的顯微組織如圖2所示。從圖可以看出，再結(jié)晶退火相較熱加工態(tài)的BT23合金組織無明顯變化；但經(jīng)固溶時(shí)效處理后，合金組織變化顯著，即較低溫度固溶并時(shí)效后，出現(xiàn)不連續(xù)的網(wǎng)狀α相，同時(shí)析出次生α相。隨著固溶溫度的升高，并經(jīng)相同時(shí)效制度處理后，初生及次生α相逐漸減少。

2.1 熱處理工藝對(duì)顯微組織的影響（見圖2）

2.2 熱處理工藝對(duì)室溫力學(xué)性能的影響

不同熱處理工藝對(duì)合金室溫力學(xué)性能的影響見表3和圖3～6。可以看出，合金在進(jìn)行再結(jié)晶退火時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的軟化，即強(qiáng)度、硬度降低，塑性提高的現(xiàn)象。合金經(jīng)固溶時(shí)效處理后，強(qiáng)化效果明顯，在相同時(shí)效制度下，合金抗拉、屈服強(qiáng)度、硬度隨固溶溫度升高而升高，塑性、剪切強(qiáng)度隨固溶溫度升高而降低。

3 結(jié)論

兩相區(qū)軋制的小規(guī)格BT23合金棒材，再結(jié)晶退火不能強(qiáng)化合金，反而會(huì)使合金強(qiáng)度、硬度降低，塑性、剪切強(qiáng)度提高。在相同時(shí)效制度下，合金的強(qiáng)度、硬度隨固溶溫度的升高而升高，塑性、剪切強(qiáng)度則隨固溶溫度升高而降低。

參考文獻(xiàn)：

[1]萊茵斯C，皮特爾斯M.鈦及鈦合金[M].陳振華，譯.北京：化工出版社，2005：300.

[2]莫代謝耶夫.鈦合金在俄羅斯飛機(jī)及航空航天上的應(yīng)用[M].董寶明，譯.北京：航空工業(yè)出版社，2008.