鈦合金具有低密度、高比強、耐高溫、抗腐蝕等優異的綜合性能，是飛機和發動機的主要結構材料之一[1]。隨著我國航空航天事業的迅速發展，飛行器緊固件、彈性組件及主要承力結構件對材料的需求更為突出地集中于耐蝕、輕質、高強、耐高溫，因此發展高強鈦合金材料及其加工工藝對我國航空航天工業的發展具有積極的推動作用[2]。β21S鈦合金是美國Timet公司在1989年研制開發的亞穩定β型鈦合金，該合金具有優異的冷熱加工性能，高的淬透性，良好的抗蠕變性、抗氧化性和抗腐蝕性[3-8]，該合金和Ti-153合金一樣可以加工成板材、帶材、箔材、鍛件和棒材等，固溶+時效處理后在保證較高塑性的前提下可獲得σ_b≥1300MPa的(de)(de)(de)超高強度(du)，因此該合金(jin)得到(dao)飛機設計(ji)者和制造者的(de)(de)(de)認可，作(zuo)為優良(liang)的(de)(de)(de)宇航結(jie)構材料(liao)于1994年被列入美國ASTM標(biao)準中[9-10]。我國在GB/T3620.1—2007《鈦及(ji)鈦合金(jin)牌號(hao)和化學(xue)成(cheng)分》中將該合金(jin)正式(shi)命名為TB8鈦合金(jin)，其(qi)名義成(cheng)分為Ti-3Al-2.7Nb-15Mo-0.2Si。本文通(tong)過(guo)制訂不同的(de)(de)(de)固溶溫度(du)研究(jiu)了TB8鈦合金(jin)顯(xian)微(wei)組(zu)織及(ji)力學(xue)性能(neng)的(de)(de)(de)變化規律，為其(qi)工程設計(ji)、制造、應用提供參考(kao)數據。

1、試驗材料及方法

試(shi)驗用(yong)TB8鈦(tai)合金鑄錠采(cai)用(yong)1t真空自(zi)耗電(dian)弧爐(lu)3次(ci)熔煉生產(chan)，其(qi)主(zhu)要化學成(cheng)分見(jian)表1，符合GB/T3620.1—2007標(biao)準(zhun)要求。鑄錠經β區(qu)和(he)(α+β)區(qu)加(jia)熱鍛造成(cheng)φ45mm規格(ge)棒(bang)材，然(ran)后在(α+β)區(qu)加(jia)熱軋(ya)制(zhi)成(cheng)φ12mm規格(ge)小棒(bang)，采(cai)用(yong)金相(xiang)法(fa)測(ce)定(ding)該批(pi)合金的(de)相(xiang)變點(α+β→β轉變溫度(du))為825～830℃。

亞(ya)穩定β型(xing)鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)(jin)使用(yong)狀態一(yi)般(ban)為(wei)(wei)(wei)固(gu)溶(rong)+時(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)態，因為(wei)(wei)(wei)采用(yong)固(gu)溶(rong)+時(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)處理(li)后合(he)金(jin)(jin)(jin)才(cai)能達(da)到(dao)所需要(yao)的工作(zuo)強度。亞(ya)穩定β型(xing)鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)(jin)固(gu)溶(rong)時(shi)(shi)(shi)高溫(wen)β相(xiang)轉(zhuan)變為(wei)(wei)(wei)介穩定相(xiang)(過冷(leng)β相(xiang))，介穩定相(xiang)在隨后時(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)時(shi)(shi)(shi)發生分解，析出彌散的次生α相(xiang)而達(da)到(dao)合(he)金(jin)(jin)(jin)強化的目的[2]。本試(shi)(shi)驗(yan)(yan)固(gu)溶(rong)溫(wen)度分別為(wei)(wei)(wei)770、800、830、860和890℃，保(bao)溫(wen)1h，空冷(leng);時(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)溫(wen)度為(wei)(wei)(wei)520℃，保(bao)溫(wen)8.5h，空冷(leng)。在OLYMPUS/PMG3型(xing)光學顯微鏡上進行(xing)顯微組織觀察，在INSTRON型(xing)電子(zi)萬能試(shi)(shi)驗(yan)(yan)機上測試(shi)(shi)室溫(wen)拉伸性能。

2、試驗結果與分析

2.1 TB8鈦合金顯微組織

TB8鈦(tai)合金(jin)試樣經不同固(gu)(gu)(gu)溶(rong)(rong)溫度(du)(du)處(chu)理(li)后顯微組(zu)織(zhi)如圖(tu)(tu)1所(suo)示。從(cong)圖(tu)(tu)1(a，b)可以(yi)看(kan)(kan)出(chu)，TB8鈦(tai)合金(jin)在(zai)(α+β)/β相(xiang)(xiang)變(bian)(bian)點以(yi)下固(gu)(gu)(gu)溶(rong)(rong)處(chu)理(li)后，合金(jin)顯微組(zu)織(zhi)為兩相(xiang)(xiang)組(zu)織(zhi)，即在(zai)β晶(jing)(jing)粒(li)(li)內部(bu)(bu)及晶(jing)(jing)界上分布著大量未轉(zhuan)變(bian)(bian)的(de)初(chu)(chu)生α相(xiang)(xiang)顆(ke)粒(li)(li)，且隨固(gu)(gu)(gu)溶(rong)(rong)溫度(du)(du)的(de)升高，未轉(zhuan)變(bian)(bian)的(de)初(chu)(chu)生α相(xiang)(xiang)顆(ke)粒(li)(li)數量相(xiang)(xiang)對減少(shao)，同時合金(jin)開始再結晶(jing)(jing)轉(zhuan)變(bian)(bian)，β晶(jing)(jing)粒(li)(li)開始長(chang)大。從(cong)圖(tu)(tu)1(c～e)可以(yi)看(kan)(kan)出(chu)，TB8鈦(tai)合金(jin)在(zai)(α+β)/β相(xiang)(xiang)變(bian)(bian)點以(yi)上固(gu)(gu)(gu)溶(rong)(rong)處(chu)理(li)后，合金(jin)顯微組(zu)織(zhi)為單一的(de)β晶(jing)(jing)粒(li)(li)(局部(bu)(bu)有非常(chang)少(shao)的(de)初(chu)(chu)生α相(xiang)(xiang)顆(ke)粒(li)(li))，且隨固(gu)(gu)(gu)溶(rong)(rong)溫度(du)(du)升高β晶(jing)(jing)粒(li)(li)明顯長(chang)大。從(cong)圖(tu)(tu)1(f)可以(yi)看(kan)(kan)出(chu)，TB8鈦(tai)合金(jin)固(gu)(gu)(gu)溶(rong)(rong)并時效(xiao)處(chu)理(li)后，合金(jin)顯微組(zu)織(zhi)中β晶(jing)(jing)界及晶(jing)(jing)粒(li)(li)內部(bu)(bu)均勻彌(mi)散析(xi)出(chu)大量次(ci)生α相(xiang)(xiang)顆(ke)粒(li)(li)。

2.2 TB8鈦合金力學(xue)性能(neng)

圖(tu)(tu)2為(wei)TB8鈦(tai)合(he)(he)(he)金(jin)經不(bu)同(tong)固(gu)(gu)(gu)溶(rong)(rong)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)處(chu)理后(hou)固(gu)(gu)(gu)溶(rong)(rong)態(tai)及固(gu)(gu)(gu)溶(rong)(rong)+520℃時效態(tai)力學性(xing)(xing)(xing)能。從圖(tu)(tu)2(a)可(ke)(ke)以看(kan)出，TB8鈦(tai)合(he)(he)(he)金(jin)經770、800、830、860和(he)890℃固(gu)(gu)(gu)溶(rong)(rong)處(chu)理后(hou)，拉伸(shen)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)隨(sui)固(gu)(gu)(gu)溶(rong)(rong)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)升(sheng)高(gao)呈下(xia)降趨勢(shi)，塑性(xing)(xing)(xing)(特別是(shi)(shi)斷面(mian)收(shou)縮率(lv)(lv))隨(sui)固(gu)(gu)(gu)溶(rong)(rong)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)升(sheng)高(gao)略有(you)上升(sheng)，其(qi)(qi)固(gu)(gu)(gu)溶(rong)(rong)態(tai)抗拉強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)由908MPa降低至875MPa、斷面(mian)收(shou)縮率(lv)(lv)由69%升(sheng)高(gao)至79%。這(zhe)主要(yao)是(shi)(shi)由于TB8鈦(tai)合(he)(he)(he)金(jin)固(gu)(gu)(gu)溶(rong)(rong)處(chu)理時，隨(sui)固(gu)(gu)(gu)溶(rong)(rong)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)升(sheng)高(gao)，合(he)(he)(he)金(jin)的(de)(de)固(gu)(gu)(gu)溶(rong)(rong)度(du)(du)(du)(du)增大(da)(da)，合(he)(he)(he)金(jin)中(zhong)初生α相(xiang)顆粒(li)逐步向β相(xiang)轉變(bian);也就是(shi)(shi)說隨(sui)固(gu)(gu)(gu)溶(rong)(rong)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)升(sheng)高(gao)，合(he)(he)(he)金(jin)中(zhong)殘存的(de)(de)第二相(xiang)質點減少(見圖(tu)(tu)1(a～e))，以致彌散強(qiang)(qiang)化(hua)作用(yong)降低。通(tong)常認(ren)為(wei)隨(sui)固(gu)(gu)(gu)溶(rong)(rong)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)升(sheng)高(gao)，合(he)(he)(he)金(jin)晶粒(li)變(bian)得粗大(da)(da)，塑性(xing)(xing)(xing)及強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)變(bian)差(cha)。以上固(gu)(gu)(gu)溶(rong)(rong)試(shi)驗(yan)同(tong)樣存在(zai)(zai)晶粒(li)長大(da)(da)惡化(hua)塑性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)現象，只是(shi)(shi)晶粒(li)長大(da)(da)惡化(hua)塑性(xing)(xing)(xing)與(yu)第二項溶(rong)(rong)解(jie)優(you)化(hua)塑性(xing)(xing)(xing)兩種(zhong)現象共同(tong)作用(yong)，第二項溶(rong)(rong)解(jie)優(you)化(hua)塑性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)作用(yong)更為(wei)顯著，其(qi)(qi)結果在(zai)(zai)宏觀上表現為(wei)隨(sui)固(gu)(gu)(gu)溶(rong)(rong)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)升(sheng)高(gao)合(he)(he)(he)金(jin)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)下(xia)降，塑性(xing)(xing)(xing)上升(sheng)。通(tong)過(guo)試(shi)驗(yan)可(ke)(ke)知，合(he)(he)(he)金(jin)在(zai)(zai)830℃固(gu)(gu)(gu)溶(rong)(rong)處(chu)理后(hou)，可(ke)(ke)獲得細(xi)小(xiao)的(de)(de)單相(xiang)β晶粒(li)組織(zhi)，其(qi)(qi)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)較低(抗拉強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)890MPa)、塑性(xing)(xing)(xing)良好(斷面(mian)收(shou)縮率(lv)(lv)可(ke)(ke)達75%)，這(zhe)十分有(you)利于合(he)(he)(he)金(jin)的(de)(de)冷加(jia)工，如(ru)標(biao)準件(jian)加(jia)工的(de)(de)冷鐓等(deng)。

從圖(tu)2(b)可以看出(chu)，TB8鈦合(he)金(jin)(jin)經不(bu)同溫(wen)度(du)(du)(du)(du)固溶+520℃時效(xiao)處(chu)理后，合(he)金(jin)(jin)在(α+β)/β相(xiang)(xiang)變(bian)點以下(xia)固溶時，隨(sui)(sui)固溶溫(wen)度(du)(du)(du)(du)升(sheng)(sheng)(sheng)高(gao)，強(qiang)度(du)(du)(du)(du)呈(cheng)上(shang)升(sheng)(sheng)(sheng)趨勢(shi)，塑(su)性迅速下(xia)降(jiang)(jiang);合(he)金(jin)(jin)在(α+β)/β相(xiang)(xiang)變(bian)點以上(shang)固溶時，隨(sui)(sui)固溶溫(wen)度(du)(du)(du)(du)升(sheng)(sheng)(sheng)高(gao)，強(qiang)度(du)(du)(du)(du)和塑(su)性略有降(jiang)(jiang)低;(α+β)/β相(xiang)(xiang)變(bian)點以上(shang)固溶+時效(xiao)處(chu)理的(de)抗拉(la)(la)(la)強(qiang)度(du)(du)(du)(du)普(pu)遍較(α+β)/β相(xiang)(xiang)變(bian)點以下(xia)固溶+時效(xiao)處(chu)理的(de)抗拉(la)(la)(la)強(qiang)度(du)(du)(du)(du)要高(gao)出(chu)50～60MPa，但塑(su)性大幅度(du)(du)(du)(du)降(jiang)(jiang)低;總(zong)體來看，隨(sui)(sui)著固溶溫(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)升(sheng)(sheng)(sheng)高(gao)，合(he)金(jin)(jin)固溶+時效(xiao)態強(qiang)度(du)(du)(du)(du)呈(cheng)上(shang)升(sheng)(sheng)(sheng)趨勢(shi)，塑(su)性則明顯降(jiang)(jiang)低，其固溶+時效(xiao)后抗拉(la)(la)(la)強(qiang)度(du)(du)(du)(du)由1345MPa升(sheng)(sheng)(sheng)高(gao)至1410MPa，斷面(mian)收縮率(lv)則由64%下(xia)降(jiang)(jiang)至11%。

通常合金經熱變形后得到的α相稱為初生α相(α_p)，在時效過程中得到的α相稱為次生α相(α_s)。合金在固溶過程中的主要相變是α+β→β的轉變，隨加熱溫度的升高，合金中α_p相數量逐漸減少，在(α+β)/β相變點以下，由于α_p相的存在，限制再結晶后β晶粒的長大，時效強化后合金宏觀上表現出優異的塑性。而當固溶溫度高于(α+β)/β相變點時，由于沒有α_p相的(de)釘扎(zha)作(zuo)用，晶粒會(hui)迅速長大(da)，時(shi)(shi)效(xiao)強(qiang)化后合金表現為宏(hong)觀(guan)塑性變(bian)(bian)差，同時(shi)(shi)在相變(bian)(bian)點上固(gu)溶處理時(shi)(shi)，由(you)于晶粒的(de)長大(da)，時(shi)(shi)效(xiao)強(qiang)化后合金強(qiang)度也略有(you)降低。

有理論認為，鈦合金組織中存在大量α_p相且原始β晶粒細小時，當試樣進行塑性變形時，滑移首先在個別位向因子較大的α晶粒內開動，若α_p相數量多，變形能很快分散到許多晶粒中去，而不至于在個別晶粒中引起應力集中而開裂，因此等軸α_p相多的組織有利于較大變形的進行，宏觀上表現為較好的塑性。因此在相變點下進行固溶處理時，由于保留有一定數量的α_p相，合金在(zai)(zai)時(shi)(shi)(shi)效(xiao)后(hou)表現(xian)出(chu)良好的塑性(xing)(xing)[11]。同(tong)時(shi)(shi)(shi)也(ye)有理論認為(wei)，低溫(wen)固溶后(hou)進行(xing)時(shi)(shi)(shi)效(xiao)時(shi)(shi)(shi)，主要是在(zai)(zai)淬(cui)火(huo)過(guo)程中保留下來的亞(ya)穩定(ding)β相發(fa)生(sheng)分解，析(xi)出(chu)相分布均(jun)勻，故塑性(xing)(xing)好，而高溫(wen)固溶后(hou)進行(xing)時(shi)(shi)(shi)效(xiao)時(shi)(shi)(shi)，使針狀馬氏體發(fa)生(sheng)分解，是在(zai)(zai)一定(ding)的界面上析(xi)出(chu)的細小分散(san)β相，并沿(yan)一定(ding)方(fang)向(xiang)排列，分布不均(jun)勻，故塑性(xing)(xing)差(cha)[12]。

時效過程中析出的彌散的α_s相是TB8鈦合金強化的主要機制，α_s相的形態主要呈片層狀，β型鈦合金時效后的組織中析出大量交錯排列的α_s條，條間界面能夠阻礙滑移的進行，使變形更加困難，因此，β型鈦合金時效后較固溶態強度變高、塑性變差[11]。TB8鈦合金在相變點上固溶處理時，α_p相顆粒幾乎全部溶解，形成儲能較高的亞穩定的β單項晶粒，隨后時效過程中析出片層狀α_s相數量要多于(yu)相變(bian)點(dian)下固(gu)溶的(de)(de)，所以相變(bian)點(dian)上固(gu)溶+時效處理的(de)(de)抗拉(la)(la)強度普遍(bian)較(jiao)相變(bian)點(dian)下固(gu)溶+時效處理的(de)(de)抗拉(la)(la)強度要高(gao)。

可(ke)以(yi)(yi)看(kan)出，TB8鈦合(he)金通過合(he)適的(de)溫度(du)固溶并時效后，可(ke)以(yi)(yi)獲(huo)得1300MPa以(yi)(yi)上的(de)抗拉(la)強度(du)及(ji)良好的(de)塑性匹(pi)配(pei)，可(ke)用于制造(zao)有(you)特殊服役(yi)條件(jian)要求的(de)飛機零部件(jian)。

3、結論

1)TB8鈦合金(jin)在(α+β)/β相變點以(yi)下固溶時(shi)，顯微組(zu)(zu)(zu)織由微小的(de)初生α相顆粒(li)(li)(li)與β基(ji)體(ti)晶粒(li)(li)(li)組(zu)(zu)(zu)成，且(qie)隨固溶溫(wen)度(du)升(sheng)(sheng)高初生α相顆粒(li)(li)(li)數量(liang)減少，β基(ji)體(ti)晶粒(li)(li)(li)長(chang)大;在(α+β)/β相變點以(yi)上(shang)固溶時(shi)，獲(huo)得的(de)組(zu)(zu)(zu)織為單(dan)一的(de)等軸β晶粒(li)(li)(li)，且(qie)隨固溶溫(wen)度(du)升(sheng)(sheng)高合金(jin)β晶粒(li)(li)(li)明(ming)顯長(chang)大、強(qiang)度(du)降低(di)、塑性升(sheng)(sheng)高。

2)TB8鈦合金(jin)830℃固(gu)溶(rong)+520℃時效(xiao)處理后，組(zu)織中β晶(jing)界及晶(jing)粒(li)內部均勻(yun)彌散析出大量次生α相顆(ke)粒(li)。隨固(gu)溶(rong)溫度升高，固(gu)溶(rong)+時效(xiao)態合金(jin)強度升高，塑性降低。

3)TB8鈦合(he)金在770～830℃固溶后(hou)，具有較高(gao)的(de)強(qiang)度(du)和優異的(de)塑性(xing)，經520℃時效后(hou)，綜合(he)性(xing)能優異，抗拉強(qiang)度(du)＞1300MPa，伸長率(lv)＞15%，斷面收(shou)縮率(lv)＞55%。

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