固溶時效對TB6鈦合金鍛件組織和性能的影響

TB6鈦合金是一種近β鈦合金，國外牌號為Ti-10V-2Fe-3Ai，該材料具有較高比強度、良好的斷裂韌性、較高的淬透性、良好的切削性和抗腐蝕性等特點。廣泛應用于航空航天領域，例如飛機渦輪盤、飛機起落架和直升機旋翼系統(tǒng)，國內(nèi)航空領域TB6鈦合金主要應用于直升機領域鍛件⑴。TB6鈦合金鍛件常用固溶時效熱處理工藝，固溶溫度、淬火冷速和時效溫度是影響鍛件性能的主要參數(shù),陳威⑵等人研究了單級時效和雙級時效工藝的影響;王文婷⑶等人研究了低溫時效的影響;劉彬⑷等人研究了TB6鈦合金多重固溶時效熱處理工藝對鍛件的影響。

本文通過采用φ130 mm規(guī)格TB6鈦合金棒材改鍛為自由鍛件,研究固溶和時效熱處理的溫度對自由鍛件組織和性能的影響,最終獲得應用于鍛件生產(chǎn)交付的最優(yōu)熱處理工藝，同時掌握熱處理工藝和組織性能的對應關系,便于鍛件組織性能不合格問題處理。

1、試驗材料及方法

1.1 試驗用料

試驗用料為φ130 mm規(guī)格棒材經(jīng)鍛造后的自由鍛件，自由鍛件尺寸為200 mm X 100 mm X60 mm，對應鍛造方向為LxLTxST。材料化學成分如表1所示。檢測材料相變點為806℃。

1.2 試驗方法

根據(jù)鍛件規(guī)范要求鍛件采用兩相區(qū)熱處理,固溶選取T_β-(30 ~60℃)，水淬。時效選取510~540℃,空冷。鍛件規(guī)范中要求的熱處理時間變化對鍛件性能影響較小，因此本試驗未選取不同時間對比的工藝試驗。本試驗中選取不同固溶和時效溫度試驗方案如表2所示，固溶溫度選取770°C、760℃、750℃,時效溫度選取 540℃、530C、520°C。

按GJB 2744A—2007標準檢測鍛件，檢測項目和取樣方案見圖1,力學性能試樣取自截面中心。室溫拉伸選用φ5 mm X 50 mm試樣,試驗方法按照GB/T 228. 1—2010要求;斷裂韌性試樣采用B =25 mm,試驗方法按照GB/T 4161—2007要求;顯微組織和低倍試驗方法按照GB/T 5168—2008要求。

2、結果與分析

2.1 固溶和時效溫度對力學性能的影響

圖2為TB6鈦合金自由鍛件經(jīng)過不同固溶和時效溫度熱處理后的力學性能。在相同的時效溫度下,隨著固溶溫度從770℃下降到750℃,可以看出，圖2(a)中抗拉強度呈下降趨勢，主要趨勢為固溶溫度每降10℃,抗拉強度下降約10 MPa；圖2(b)和圖2(c)中斷后伸長率和斷裂韌性呈上升趨勢，固溶760℃較770℃斷后伸長率明顯上升約2%，斷裂韌性明顯上升5  MPa ?m^1/2 ；固溶750C較760C斷后伸長率和斷裂韌性略有上升，分別上升約1%和2 MPa ?m^1/2。

在相同的固溶溫度下，隨著時效溫度從520℃升高到540℃ ,可以看出，圖2(a)抗拉強度呈下降趨勢，時效溫度每升高10℃,抗拉強度下降約40 ~50 MPa；圖2(b)中斷后伸長率略有升高趨勢；圖2(c)中時效520℃升高至530℃時斷裂韌性略有升高，約3 ~5 MPa ? m^1/2左右,但當時效溫度由530C升高至540C時斷裂韌性明顯升高約 5 ~10 MPa ?m ^1/2 。

2.2 固溶和時效溫度對高低倍組織的影響

在相同固溶溫度情況下，不同時效溫度的鍛件低倍無不同之處。在相同時效溫度下,不同固溶溫度的鈦鍛件低倍有不同之處。圖3為分別在770°C、760°C、750°C固溶后520°C時效的低倍組織，可以看出固溶溫度越高晶粒越粗越清晰，遵循溫度升高晶粒長大的普遍規(guī)律。自由鍛件中間變形量大，形成拉長晶粒，低倍評級均滿足GJB2744A—2007中4級要求。

高倍組織如圖4和圖5所示,均為兩相區(qū)組織，由時效β基體和球狀或條狀初生α相組成,均滿足GJB 2744A—2007中2類組織，初生α相含量均滿足不低于10%。原始β晶粒邊界未出現(xiàn)連續(xù)的、平直的α相網(wǎng)格，未出現(xiàn)粗大的晶界α相組織。在固溶溫度760℃時，不同時效溫度520°C、530°C、540°C情況下，高倍組織如圖4所示,隨著時效溫度的降低，初生α相含量略有降低。在時效溫度530C時,不同固溶溫度770℃、760°C、750°C情況下，高倍組織如圖5所示，固溶溫度每降低10℃，初生α相含量增加約5% ~10%。

3、結論

(1)固溶溫度每降低10℃時,抗拉強度下降約10 MPa,斷后伸長率升高約1% ~2%，斷裂韌性升高約2~5 MPa,高倍組織中初生s相含量增加約5% -10%,低倍組織中晶粒略有變細。

(2) 時效溫度每升高10℃時,抗拉強度下降約40 -50 MPa,斷后伸長率略有升高；時效溫度520℃升到530 ℃時斷裂韌性升高約3~5MPa. m^1/2,時效溫度530℃升到540℃時,斷裂韌性升高約5 ~10MPa. m^1/2,時效溫度對高低倍組織影響較小。

(3) 固溶選用750 ~760°C水冷，時效選用520℃~530℃空冷,室溫拉伸和斷裂韌性具有較好的匹配性,低倍晶粒較細，高倍組織中初生α相較多。

參考文獻

[1]劉曉豐，田雅馨，鄒靜，等.直升機關鍵金屬TB6鈦合金的劃傷、沖擊缺陷容限性能[J],科學技術與工程，2019, 19 (29)： 349 -355.

[2]陳威，孫巧艷，肖林，等.時效工藝對TM023合金微觀組織和力學性能的影響[J].稀有金屬材料與工程，2011, 40 (4) : 708 -713.

[3]王文婷，李沛，寇文娟，等.時效溫度對TM023和TM553合金微觀組織與析出硬化的影響規(guī)律[J].稀有金屬材料與工程，2020, 49 (5) : 1707-1714.

[4]劉彬，黃旭，黃利軍，等.TB6鈦合金多重固溶時效熱處理工藝研究[J].稀有金屬，2009, 33(4) : 489 -493.