TB8鈦合金以其高比強度、優(yōu)異的冷加工性、高抗氧化性和良好的抗腐蝕能力，在航空航天飛行器超高強度緊固件、彈性組件及結(jié)構(gòu)件中被廣泛應(yīng)用［1-2］。

通過固溶時效熱處理工藝對其組織進(jìn)行調(diào)控可以顯著影響TB8鈦合金的力學(xué)性能。近年來，學(xué)者對緊固件用TB8鈦合金做了大量研究，張利軍等［3］研究了1300MPa級、伸長率為5%的超高強度TB8鈦合金熱處理工藝;馬權(quán)等［4］提出雙態(tài)區(qū)固溶+時效后可以使TB8鈦合金保持較好的塑形，此時時效強度為1150MPa。隨著我國航空航天事業(yè)的迅速發(fā)展，對緊固件用TB8鈦合金材料的性能指標(biāo)提出了更高的要求。研究表明，TB8鈦合金在獲得高強度的同時其塑性也受到了限制，塑性增加后又無法滿足超高強度的性能要求，因此，研究綜合性能優(yōu)異的高強韌緊固件用TB8鈦合金具有重要意義。

本文研究了不同固溶時效熱處理制度對TB8鈦合金棒材組織及性能的影響規(guī)律，提出了高強韌TB8鈦合金棒材的固溶時效熱處理制度，為TB8鈦合金棒材工程應(yīng)用熱處理工藝的選擇提供參考。

1、試驗材料及方法

1.1試驗材料

試驗材料選用經(jīng)過3次真空自耗電弧爐熔煉而成的TB8鈦合金鑄錠，化學(xué)成分如表1所示。鑄錠經(jīng)鍛造+軋制工藝制備出規(guī)格為φ15mm的鈦合金棒材，熱加工態(tài)顯微組織如圖1所示，主要為α+β兩相區(qū)變形組織。

1.2試驗方法

對TB8鈦合金棒材進(jìn)行固溶處理，固溶溫度800、850、890℃，保溫時間10、30、60和120min，水冷(WQ);在最優(yōu)固溶工藝的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行時效處理，時效溫度520℃，保溫時間4、6、8、10、12h，空冷(AC)。分析固溶溫度及保溫時間對TB8棒材組織及性能的影響規(guī)律，分析時效熱處理中不同保溫時間TB8棒材的組織及性能變化。熱處理前后TB8鈦合金棒材的顯微組織采用OlympusPMG-3型顯微鏡進(jìn)行觀察，采用INSTＲON電子萬能試驗機對其室溫拉伸性能進(jìn)行測試。

2、試驗結(jié)果及討論

2.1固溶溫度對TB8鈦合金棒材組織性能的影響

TB8鈦合金棒材在800、850、890℃，分別保溫60min后，顯微組織如圖2所示。可以看出，TB8鈦合金在800℃固溶處理時，顯微組織為α+β的兩相組織，即在β晶粒的基體上分布著大量未轉(zhuǎn)變的初生α相(α_p)顆粒，β晶粒呈長條狀。隨著固溶溫度的升高，α_p相含量逐漸減少，同時伴隨β晶粒長大，當(dāng)固溶溫度為850℃時，顯微組織主要為等軸β晶粒，晶界處仍存在少量的α_p相。當(dāng)固溶溫度達(dá)到890℃時，α_p相消失，顯微組織為完全固溶后的單相等軸β晶粒，β晶粒表面有浮凸形貌和少量黑色點狀物，這主要與材料在熱處理后快冷過程中發(fā)生馬氏體相變有關(guān)［5］。

表2為TB8鈦合金棒材經(jīng)不同溫度固溶處理后的力學(xué)性能。可以看出，隨著固溶溫度的升高，材料的抗拉強度逐漸降低，但塑性升高。這是由于β鈦合金在固溶處理過程中，隨著固溶理溫度的升高，α_p相逐漸轉(zhuǎn)為高溫等軸β相，在后續(xù)冷卻過程中，高溫β相會轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的室溫亞穩(wěn)β相，這種亞穩(wěn)β相可以使材料表現(xiàn)出優(yōu)異的塑性和較低的強度，因此，β鈦合金更有利于冷加工成形［6］。高溫β相含量越高，冷卻后轉(zhuǎn)變成的亞穩(wěn)β相含量也隨之增加，同時伴隨著材料的塑性提高、強度降低。

2.2固溶時間對TB8鈦合金棒材組織性能的影響

對TB8鈦合金棒材在890℃進(jìn)行固溶處理，分別保溫10、30、60、120min，其顯微組織如圖3所示。可以看出，在890℃固溶處理后，合金顯微組織均為單相等軸β晶粒，隨著固溶時間的延長，β晶粒尺寸逐漸長大，不同固溶時間下的平均晶粒尺寸分別為42、60、85、130μm。

表3為不同固溶時間下TB8鈦合金棒材的力學(xué)性能。不同保溫時間下棒材的塑性變化不大，但隨著固溶時間的延長，棒材的抗拉強度降低，這主要與晶粒尺寸有關(guān)。Hall-Petch關(guān)系式已明確表明，在常規(guī)晶粒尺寸的材料中，晶粒尺寸越細(xì)小，材料的強度和塑性就越高［2］。綜合選擇890℃、保溫30min為TB8鈦合金棒材的固溶處理工藝，此時材料的強塑性匹配最佳。

2.3時效處理對TB8鈦合金棒材組織及性能的影響

時效主要是在一定溫度和時間范圍內(nèi)使固溶產(chǎn)生的亞穩(wěn)相發(fā)生脫溶分解，析出第二相，最終得到更加穩(wěn)定的兩相組織［7-8］。時效溫度對TB8鈦合金性能的影響顯著，低溫時效會影響次生α相(α_s)的析出，使其彌散度不均，導(dǎo)致材料塑性下降，高溫時效又會使α_s相迅速長大，影響材料的強度［9］。合理的固溶時效工藝可以使TB8鈦合金獲得良好的強塑性匹配。890℃×30min固溶處理后的TB8鈦合金棒材，經(jīng)時效溫度520℃，保溫時間4、6、8、10、12h處理后的組織形貌如圖4所示?？梢姡倘軙r效處理后，棒材顯微組織中析出大量細(xì)小片層次生α_s相。當(dāng)保溫時間為4h時，在β晶粒的晶內(nèi)及晶界析出了大量α_s相，但晶內(nèi)仍有部分未沉淀區(qū);當(dāng)保溫時間為6h時，僅有少量β晶粒內(nèi)存在未沉淀區(qū)，隨著保溫時間的延長，α_s相析出逐漸均勻彌散。

時效處理時，隨著保溫時間的延長，TB8鈦合金棒材的力學(xué)性能見圖5。可以看出，時效處理后TB8鈦合金棒材強度顯著提高，同時塑性降低。根據(jù)文獻(xiàn)［10］，這是因為α_s相是亞穩(wěn)β鈦合金的主要強化機制，α_s相的形態(tài)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(jìn)行，使變形更加困難，α_s相含量越多，晶粒越細(xì)小，材料的強度越高，因此，β型鈦合金時效后強度變高。結(jié)合顯微組織可以看出，時效保溫4h時，α_s相未完全析出，因此，強度最低，隨著時間的延長，α_s相含量逐漸增加，并在β晶界及晶內(nèi)均勻彌散析出，棒材的抗拉強度逐漸升高并最終趨于穩(wěn)定。

同時，α_s相含量及其沉淀析出的均勻性對TB8鈦合金的塑形影響顯著，α_s相越細(xì)小，分布越均勻彌散，在提高材料強度的同時還會有較好的塑性［11］。隨著時效保溫時間的延長，α_s相晶粒長大，材料的塑形呈逐漸降低趨勢。當(dāng)時效時間為8h時，棒材的時效強度達(dá)1286MPa，并保留較好的塑形。推薦TB8鈦合金最佳的固溶時效處理制度為:890℃×30min，WQ+520℃×8h，AC。

3、結(jié)論

1)TB8鈦合金棒材在890℃固溶處理時，可以獲得單一等軸β組織，隨著固溶保溫時間的延長，β晶粒逐漸長大，強度逐漸降低。經(jīng)890℃×30min，水冷固溶處理后，具有最佳的強塑性匹配。

2)TB8鈦合金棒材時效熱處理后，顯微組織中析出大量細(xì)小片層交錯的次生α相，使棒材的強度顯著增高，塑性降低。在520℃下保溫8h時效處理后，棒材抗拉強度可以達(dá)到1286MPa，并保留較好的塑形。推薦TB8鈦合金棒材的固溶時效熱處理制度為:890℃×30min，WQ+520℃×8h，AC。

參考文獻(xiàn):

［1］趙永慶，奚正平，曲恒磊. 我國航空用鈦合金材料研究現(xiàn)狀［J］.航空材料學(xué)報，2003，23(S1): 215-219.

Zhao Yongqin，Xi Zhengping，Qu Henlei. Current situation of titanium alloy materials used for national aviation［J］. Journal of Aeronautical Materials，2003，23(S1): 215-219.

［2］Paul J Bania. Beta titanium alloys and their role in the titanium industry ［J］. JOM，1994，46(7): 16-19.

［3］張利軍，田軍強，白 鈺，等. TB8 超高強鈦合金的熱處理工藝［J］. 中國有色金屬學(xué)報，2010，20(S1): 670-673.

Zhang Lijun，Tian Junqiang，Bai Yu，et al. Heat treatment process of TB8 titanium alloy［J］. The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2010，20(S1): 670-673.

［4］馬 權(quán)，曹 迪. 雙級時效處理對 TB8 合金組織和性能的影響［J］. 材料熱處理學(xué)報，2017，38(10): 41-45.

Ma Quan，Cao Di. Effect of double aging treatment on microstructure and mechanical property of TB8 titanium alloy［J］. Transactions of Materials and Heat Treatment，2017，38(10): 41-45.

［5］李金華. TC21 鈦合金熱加工過程的微觀組織演變及模擬研究［D］. 南京: 南京航空航天大學(xué)，2007.

Li Jinhua. Ｒesearch on the microstructure evolution and simulation of TC21 titanium alloy in the hot working process［D］. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2007.

［6］朱李云，張利軍，郭 凱，等. β21s 鈦合金板材熱處理工藝研究［J］. 特種鑄造及有色合金，2015，35(4): 434-436.

Zhu Liyun，Zhang Lijun，Guo Kai，et al. Study on heat treatment process of β21s titanium alloy sheet ［J］. Special Casting and Nonferrous Alloy，2015，35(4): 434-436.

［7］董洪波，姜智勇，周盛武，等. 預(yù)時效對TB8鈦合金超塑性的影響［J］. 材料研究學(xué)報，2018，32(7): 541-546.

Dong Hongbo，Jiang Zhiyong，Zhou Shengwu，et al. Effect of pre-aging on superplasticity of TB8 Ti-alloy［J］. Journal of Materials Ｒesearch，2018，32(7): 541-546.

［8］尹仁錕. 新型超高強 β 鈦合金相析出特性研究［D］. 西安: 西安建筑科技大學(xué)，2016.

Yin Ｒenkun. Study on phase precipitation characteristics of new type ultra-high strength β titanium alloy［D］. Xi'an: Xi'an University of Architecture and Technology，2016.

［9］陳慧琴，林好轉(zhuǎn)，郭 靈，等. 鈦合金熱變形機制及微觀組織演變規(guī)律的研究進(jìn)展［J］. 材料工程，2007(1): 60-64.

Chen Huiqin，Lin Haozhuan，Guo Ling，et al. Progress on hot deformation mechanisms and microstructure evolution of titanium alloys ［J］. Journal of Materials Engineering，2007(1): 60-64.

［10］張利軍，王幸運，常 輝，等. 固溶溫度對TB8鈦合金組織及性能的影響［J］. 金屬熱處理，2013，38(6): 83-86.

Zhang Lijun，Wang Xingyun，Chang Hui，et al. Effects of solution temperature on microstructure and properties of TB8 titanium alloy ［J］. Heat Treatment of Metals，2013，38(6): 83-86.

［11］趙文龍，辛選榮，謝 田.TB8鈦合金形變時效強化分析［J］. 熱加工工藝，2016，45(2): 243-245.

Zhao Wenlong，Xin Xuanrong，Xie Tian. Analysis on deformation enhanced aging of TB8 Ti alloy［J］. Hot Working Technology，2016，45(2): 243-245.