TB2钛合金是我国研制的一种亚稳定β型钛合金[1-2]，其名义成分为Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al，β相稳定系数为1.98，在固溶状态下具有良好的工艺塑性、冷成形性和焊接性能，经时效处理后具有高强、高韧性能，是典型的高强钛合金。因其良好的综合性能，主要用于制造卫星波纹壳体、星箭连接带及各类铆钉、螺钉、螺栓等[3]。
TB2钛合金中不仅加入了大量可与钛形成连续固溶体的Mo和V元素，还加入了可与钛形成化合物的Al和Cr元素，故其固溶时效强化效果十分显著[4-5]。不同产品类型及加工工艺对应着不同的最佳固溶时效制度。紧固件用小规格TB2钛合金棒材在固溶状态下具有良好的塑性和冷成形性，在固溶时效状态下具有超高的强度，可满足航空航天紧固件对该材料的要求。
固溶＋预拉伸变形＋时效是把加工硬化和时效强化结合起来的一种低温形变热处理技术，是金属材料强化的重要手段[6-7]。对于亚稳定β型钛合金，固溶后的预拉伸变形对其α相的析出有促进作用，与常规固溶＋时效相比较效果更佳，是目前提高钛合金强度最有效和最有前景的方法之一[8]。因此，研究了固溶、固溶＋时效及固溶＋预拉伸变形＋时效的热处理制度对紧固件用小规格TB2钛合金棒材组织与性能的影响，从组织形貌等方面分析了其强化机理，确定最佳热处理制度，以期为我国紧固件用超高强、高韧钛合金棒材的研制与生产提供数据支撑。
1、实验
实验材料为真空自耗电弧炉(VAR)2次熔炼的φ500mm的TB2钛合金铸锭，其化学成分满足GB/T3620.1—2016《钛及钛合金牌号和化学成分》要求，采用连续升温金相法测得铸锭相变点为765℃。铸锭经锻造、轧制、拉伸等工序制备成φ11.2mm的棒材，其组织形貌为粗大的β晶粒及弥散分布的细小α晶粒，如图1所示。
按照表1方案对TB2钛合金棒材进行热处理，其中，Ａ1~Ａ4研究固溶温度对棒材组织与性能的影响，Ｂ1~Ｂ4研究时效温度对棒材组织与性能的影响，Ｃ1~Ｃ3研究固溶后不同预变形量对棒材时效态组织与性能的影响。
按照GB/T5168—2020《钛及钛合金高低倍组织检验方法》加工金相试样，采用ＡＸＩＯＶＥＲＴ200ＭＡＴ光学显微镜观察显微组织。按照GB/T228.1—2021《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》 加工拉伸试样，采用ＩＮＳＴＲＯＮ5885电子万能材料拉伸试验机测试室温拉伸性能。
2、结果与分析
2.1固溶温度对棒材组织与性能的影响
图2为TB2钛合金棒材经不同温度固溶处理后的显微组织。固溶温度为760℃时，因固溶温度在相变点以下，组织中存在少量未完全转变的α相，β相平均晶粒尺寸为26.7μm(图2ａ)。固溶温度为780℃时，因固溶温度超过相变点，α相几乎全部溶解，只有β相保留下来，在晶界和晶粒内部开始重新形核并长大，平均晶粒尺寸达31.8μm(图2b)。
随着固溶温度的继续升高，平均晶粒尺寸持续增大，但增幅变缓(图2ｃ、2ｄ)。
图3为TB2钛合金棒材经不同温度固溶后的室温拉伸性能。从图3可以看出，固溶温度低于800℃时，随着固溶温度的升高，棒材的抗拉强度逐渐升高。780℃固溶时棒材抗拉强度为886MPa，伸长率达到最高值23.3％。
800℃固溶时抗拉强度达到了最大值923MPa，但此时对应的伸长率最低，仅为16％。这是因为该温度下α相几乎全部溶解，固溶强化效应达到最大。随着固溶温度的进一步升高，β晶粒粗化，棒材强度降低。经780℃固溶后，TB2钛合金棒材强度和塑性达到最佳匹配，故选择780℃为最佳固溶温度。
2.2 时效温度对棒材组织与性能的影响
图4为TB2钛合金棒材经780℃固溶＋不同温度时效后的显微组织。从图4可以看出，不同温度时效处理后的TB2钛合金棒材中β晶粒内分布着含量不同的α相晶粒，晶粒度等级为7级。随着TB2钛合金棒材时效温度的升高，析出的α相体积分数先增加后减少。这是由于β稳定元素含量较高的亚稳定β钛合金在固溶过程中有大量不稳定的残余β相保留，这些残余β相在时效过程中会发生分解[9]。
450℃时效时，由于时效温度低，形核驱动力大，α相容易形核，但扩散困难，弥散析出的α相相对较少(图4ａ)。470℃时效时，α相形核驱动力大，扩散也较容易，β晶粒内析出大量弥散分布的α相(图4ｂ)。490℃时效时，在等轴β晶界附近析出的α相比较粗大，β晶粒内部出现α相亮斑，但晶内析出α相的体积分数有一定下降(图4ｃ)。这是由于时效温度升高，α相形核困难，导致析出的α相数量减少。510℃时效时，α相的长大速率非常快，在β晶界和晶粒内均析出片层状α相(图4ｄ)。这是由于时效温度过高，导致亚稳定β相分解生成群集的片状α相[9]。
图5为TB2钛合金棒材经780℃固溶＋不同温度时效后的室温拉伸性能。从图5可以看出，随着时效温度的升高，棒材强度呈先升高后下降的趋势，延伸率和断面收缩率则相反。这与时效过程中析出α相的体积分数有密切关系[10]。
450℃时效时，TB2钛合金抗拉强度较低，仅为1234MPa。这是由于时效温度较低，β晶粒虽易形核α相，但扩散困难，弥散析出的α相较少。470℃时效时，棒材抗拉强度达到了最高值11392MPa，伸长率最低，此时强度和塑性均满紧固件对TB2钛合金棒材性能的要求(Rm≥1370MPa，Ａ≥7％)。490℃时效时，棒材抗拉强度相比470℃时下降了3.7％。
510℃时效时，棒材抗拉强度较470℃时效下降了11％，而此时延伸率达到最高。
2.3固溶后预拉伸变形对棒材组织与性能的影响
图6为TB2钛合金棒材经780℃固溶＋不同预拉伸变形＋470℃时效后的显微组织。与固溶后直接时效相比较，固溶＋预拉伸变形＋时效后的显微组织中晶粒有一定细化，沿晶界析出了少量弥散分布的片状α相，再结晶现象有增强趋势，并且随着预拉伸变形量的增加，这种特征更为明显。这是因为预拉伸变形过程中引入了大量的位错、层错等缺陷，这些晶格缺陷在后续时效过程中为次生α相形核提供位点，诱导次生片层α相快速形核并在晶粒内部和晶界析出[11]。随着预拉伸变形量的增大，位错缠结加剧，基体内位错密度提高，析出的次生α相尺寸增大，数量增多。
图7为TB2钛合金棒材经780℃固溶＋不同预拉伸变形＋470℃时效后的室温拉伸性能。从图7可以看出，增加预拉伸变形工序后，棒材的室温抗拉强度较固溶后直接时效提高了近10％，达到1500MPa以上。这是由于固溶后的预拉伸变形会产生大量的位错及高的晶格畸变，为时效时析出相的形成提供了有效的核心[12]，因而棒材强度大幅升高。随着预拉伸变形量从3.5％提升至7.0％，棒材的室温抗拉强度虽逐渐升高，但增幅较小，伸长率、断面收缩率呈先升高后降低趋势。经780℃固溶＋5.3％预拉伸变形＋470℃时效处理后，TB2钛合金棒材的抗拉强度为1544MPa，延伸率为9％，强度和塑性达到最佳匹配。
3、结论
(1)TB2钛合金棒材经固溶处理后，随着固溶温度的升高，组织中α相逐渐消失，β晶粒尺寸逐渐增大ꎻ随着固溶温度的升高，棒材强度先升高后降低，780℃固溶时强度和塑性达到最佳匹配。
(2)TB2钛合金棒材经固溶＋时效处理时，随着时效温度的升高，β晶粒内部和晶界析出的次生α相体积分数先增加后减少，晶粒尺寸也由细小变为粗大，并在510℃时出现了片状形貌；随着时效温度的升高，棒材强度先升高后降低，在470℃时达到最高值，为1392MPa。
(3)TB2钛合金棒材经固溶＋预拉伸变形＋时效热处理后，晶粒细化，次生片状α相含量增多，强度较固溶后直接时效提高了近10％。经780℃固溶＋5.3％预拉伸变形＋470℃时效处理后，棒材抗拉强度达到1544MPa，延伸率达到9％，此时强度和塑性达到最佳匹配。
参考文献
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