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参考文献

摘要：
1 实验▲
2 结果与讨论▲
2.1 结果
2.2 讨论
3 结论▲
图表▲

表1 TB2化学成分 (%, 质量分数)

表2 TB2 Φ 5.2 mm丝材经直接时效后的拉伸性能

表3 TB2 Φ 5.2 mm丝材经固溶时效后的拉伸性能

图1 丝材经固溶时效处理后的金相照片

图2 丝材经直接时效处理后的金相照片

稀有金属2008年第2期

β型钛合金TB2超高强丝材

余明陈海珊陶海明魏衍广罗峥

北京有色金属研究总院粉末冶金及特种材料研究所,北京有色金属研究总院粉末冶金及特种材料研究所,北京有色金属研究总院粉末冶金及特种材料研究所,北京有色金属研究总院粉末冶金及特种材料研究所,北京有色金属研究总院粉末冶金及特种材料研究所,北京有色金属研究总院粉末冶金及特种材料研究所北京100088,北京100088,北京100088,北京100088,北京100088,北京100088

摘要：

通过对钛合金进行大的塑性变形获得了TB2丝材, 分别对TB2丝材进行直接时效和固溶时效处理。发现经过大的塑性变形后获得了具有良好综合性能的TB2丝材, 尤其是对丝材进行直接时效处理后, 其抗拉强度最高可达1690MPa, 同时具有良好的延性性能。金相观察结果显示, 经过大变形直接时效后的晶粒为等轴状, 比固溶时效后的组织更为细密。采用大变形和直接时效的方法来获得高强度高韧性良好配合的材料应具有稳定的面心立方或体心立方结构, 低的应变硬化指数, 较高的回复温度和有效的硬化机制。

关键词：

TB2钛合金丝材;塑性变形;超高强;

中图分类号： TG146.23

作者简介：余明 (E-mail:dongmingna@vip.sina.com) ;

收稿日期：2007-06-03

β Titanium Master Alloy High Strength TB2 Wires

Abstract：

β titanium master alloy TB2 wires were obtained through great plastic deformation. The direct ageing treatments and solution ageing treatments were used to the wires inpidually. Tensile results showed that the wires treated by direct ageing had high strength with good ductility. The highest strength was 1690 MPa. Metallographic results showed that the grains were of equiaxed structure. And the wires of direct ageing treatments had finer grain arrangement than that treated by solution ageing. With high strength and good ductility, the materials should have stable FCC or BCC structure, low strain hardening exponent, high revision temperature and effective hardening mechanics.

Keyword：

titanium master alloy TB2 wires; plastic deformation; high strength;

Received： 2007-06-03

得到超高强同时兼有高延性的合金, 始终是材料研究人员极感兴趣的研究方向之一。有人曾经设想模拟TRIP钢 (相变诱发塑性高强钢) ^[1,2] 的原理来设计高强度、高延性钛合金, 但由于大多数钛合金在承受塑性变形后并不发生相变, 因此采用这种原理设计, 结果并不理想。另一条途径是通过研究超细晶粒结构, 来设计高强、高延性合金, 其中钛合金也采用这一原理研究高强合金。为获得超细晶粒组织, 一个办法是从合金化入手, 加入细化晶粒的元素, 尤其是稀土元素, 得到细晶合金。事实上, 稀土元素细化晶粒的说法对β型钛合金来说似乎不够准确, 其主要作用是阻止钛合金晶粒在高温下的长大 ^[3] 。另一个办法是通过足够大的塑性变形, 获得超细的亚晶亚胞结构 (即亚结构) , 在此基础上得到超高强、高延性合金。

本文拟对TB2合金采用大的塑性变形及时效硬化的方法, 探讨得到超高强度、高延性TB2丝的可能性。

1 实验

采用TB2 Φ 160 mm锻坯作为原始用料, 其化学成分如表1。

锻坯在1100 ℃锻至Φ 45 mm, 然后Φ 45 mm棒材经热轧成Φ 9.5 mm的盘条, 盘条经清理后, 温拉成Φ 5.2 mm的丝材。丝材的固溶处理和时效制度处理全部在空气中进行, 处理后的样品经机加工制成拉伸试样, 其工作区直径Φ 3.0 mm, 工作区长度为试样工作区横截面积 (mm²) 。

2 结果与讨论

2.1 结果

对丝材采用了两类不同的热处理方法: 形变热处理, 即变形状态直接时效; 固溶时效, 即常规的热处理方法。不同热处理之后的性能列在表2和3中, 表2为变形后直接时效的实验结果, 表3为固溶时效后的实验结果。

从表2和3的数据可以看出, TB2的丝材有非常优异的拉伸性能, 其中形变直接时效后的性能更为突出, 其抗拉强度σ_b为1471～1690 MPa, 延伸率δ₅为12.0%～17.5%, 断面收缩率Ψ值为44.0%～59.5%。实验证明, 在采用形变热处理的条件下, TB2合金有极大的强化潜力, 而且在超高强水平下, 仍保持着优异的塑性和延性性能, 如σ_b=1690 MPa时, δ₅=12.0%, Ψ=44.0%。 β型钛合金的丝材形变后大都可以达到较高强度的水平, 但在1690 MPa的强度下, 仍保持如此高的塑性性能是比较少见的。

表1 TB2化学成分 (%, 质量分数)

Table 1 TB2 chemical compositions (%, mass fraction)

Mo	V	Cr	Al	Fe	Si	C	N	H	O
5.25	5.06	7.86	3.21	0.136	0.026	0.032	0.0182	0.0026	0.12

表2 TB2 Φ 5.2 mm丝材经直接时效后的拉伸性能

Table 2Tensile characteristics of TB2 Φ 5.2 mm wires by direct ageing treatments

State	Tensile strength σ_b/MPa	Elongation percentage δ₅/%	Percentage reduction in area Ψ/%
Plastic deformation	1295	11.5	53.5
500 ℃/4 h	1690	12.0	45.5
500 ℃/8 h	1682	-	-
520 ℃/4 h	1638	14.0	44.0
540 ℃/4 h	1510	17.5	58.5
550 ℃/4 h	1471	16.0	52.0

表3 TB2 Φ 5.2 mm丝材经固溶时效后的拉伸性能

Table 3Tensile characteristics of TB2 Φ 5.2 mm wires by solution ageing treatments

State	Tensile strength σ_b/MPa	Elongation percentage δ₅/%	Percentage reduction in area Ψ/%
700 ℃+500 ℃/8 h	1407	18.5	59.5
750 ℃+500 ℃/8 h	1460	15.0	50.0
800 ℃+500 ℃/8 h	1480	13.5	31.5
830 ℃+500 ℃/8 h	1540	10.0	18.0
830 ℃→500 ℃/8 h	1432	7.0	11.0

从表3中给出的数据可以看出, 固溶温度从700 ℃升至830 ℃, 时效强度可增加133 MPa, 但延性大大下降, δ₅值从18.5%下降至10%, 面缩值从59.5%下降到18.0%。用金相法测定了这批丝材的相变点为780 ℃。低于相变点固溶处理 (700或750 ℃) , 时效后可得到良好的拉伸性能, 而在相变点之上固溶处理, 时效后将得到较差的拉伸延性, 如830 ℃固溶+500 ℃时效后σ_b=1540 MPa, Ψ=18%。采用高于相变点的温度进行固溶处理, 固溶后经炉内缓冷到500 ℃直接时效, 得到了最差的拉伸性能, 抗拉强度为1432 MPa, 延伸率为7.0%, 面缩仅有11.0%。

表2和3的数据说明, 采用形变后直接时效处理得到的力学性能优于形变后固溶时效得到的力学性能。在两相区固溶时效处理后得到的力学性能优于在β单相区固溶时效处理得到的力学性能。若在β相区固溶, 固溶快冷到室温然后时效, 其力学性能优于固溶缓冷到时效温度直接时效后的性能。这是由于固溶处理在较高温度进行, 会造成晶粒的长大, 对强度和延伸率不利。固溶后缓冷至时效温度直接进行时效处理, 会析出粗大的初生α相, 同时造成晶粒继续长大, 出现强度和延伸率同时下降的现象。总而言之, 丝材的热处理试验充分说明了形变热处理的优越性, 在TB2的锻棒以及锻件中都证明过形变热处理的办法优于其他的热处理方法。

沿丝材轴向截取了样品, 经金相抛光腐蚀后对组织进行了观察 (图1, 2) 。该丝材主要是通过热、温加工制成的, 其组织明显不同于冷轧后得到的晶粒具有的纤维状拉长的组织, 时效后第二相的析出极为弥散。图1为试样经固溶时效处理后的组织形貌, 组织由粒度均匀的等轴状β晶基体和沿晶界、晶内弥散析出的α相组成; 图2为试样经大塑性变形直接时效后的组织形貌, 与图1相比, 形变后时效的晶粒明显更为细化, 时效后第二相的析出更为弥散, 强化析出效果也更为明显。

从以上的结果可以看出, TB2合金通过极大的塑性变形, 在较低温度下直接时效, 避免了晶粒的恢复和长大, 并促进了第二相的弥散析出, 从而使TB2丝材具备高强度、高延性的综合性能。 TB2丝材在大变形量加工状态下具有的细密的组织结构, 保证了该合金在超高强度下仍具有良好的延性性能, 在变形量不足的加工产品中, 如TB2锻棒或锻件是很难获得这种优异性能的。

2.2 讨论

通常β型合金的症结就在于, 为了保证良好的冷成型性能需进行β相固溶处理, 而β固溶处理会使晶粒异常长大, 大晶粒β合金的板材或锻件获得高强度, 就必须使析出α相的弥散度加大, 这导致拉伸延性强烈降低。通过大的塑性变形后直接时效处理, 往往可以获得超高强度同时具有高的延性, 但是除特定条件外, 在实际使用中这种性能要受到限制。从理论上探讨一下超细晶粒或超细亚结构对强度的影响是有一定意义的。要想通过这种工艺获得优异的性能, 对选材有几条要求:

图1 丝材经固溶时效处理后的金相照片

Fig.1 Metallurgical photographs of wires treated by solution ageing treatments

图2 丝材经直接时效处理后的金相照片

Fig.2 Metallurgical photographs of wires treated by direct ageing treatments

(1) 所选材料晶格类型应当是稳定的面心立方或体心立方结构类的合金, 这种结构的变形性能好, 可承受较大的冷变形量。

(2) 所选材料有低的应变硬化指数, 即有较低的对多位错能, 如材料硬化指数高, 则会在加工过程中因抗力过大而产生断裂。

(3) 材料应当有一个较高的回复温度 (以防时效过程中亚晶粒长大) , 同时在回复温度以下时要有一个有效的硬化机制。

具备这些条件的材料, 经过大的塑性变形后可得到稳定的超细亚晶粒。此时, 由于晶粒界面的大量增加, 位错运动被抑制, 材料的屈服强度将依据Hall-Petch关系 ^[4,5] 而增加:

其中σ_s为屈服强度, σ_0s为摩擦应力, K_s为钉扎项, d为亚晶尺寸。

而

d₀为最初的亚结构尺寸, cw为冷加工变形量, 将 (2) 代入 (1) 得到:

σ_s=σ_0s+K′ (1-cw) ^-1/4 (3)

其中。

要得到稳定有效的亚结构, 通常要求30%～40%的冷变形即可, 而要得到更为细化的亚结构则要加大变形量, cw值加大, d值减小, 则屈服强度σ_s增加。因此通过Hall-Petch关系的推导可以看出, 材料必须具备良好的可加工性能, 由于这种原因, 这种办法通常仅限于面心立方或体心立方的单相固溶体合金。

TB2合金具备上述条件, 同时它有很低的加工硬化指数, 可承受很大的冷加工变形量, 而且在较低的温度时效时, 保有明显的时效硬化机制。

采用形变时效, 可从所得数据中发现强度随着时效温度的升高而降低 (在所研究的时效温度区间内) 。强度与时效时间的关系不明显, 例如在500 ℃时效4 h, σ_b=1690 MPa, 而在500 ℃时效8 h, σ_b=1682 MPa。还发现时效后塑性性能的变化与时效温度的关系并不是线性增加的, 时效温度从500 ℃升至540 ℃, 延伸率和断面收缩率不断增加, 但在550 ℃时效, 不但抗拉强度下降, 塑性性能也下降。例如540 ℃时效4 h, σ_b=1510 MPa, δ₅=17.5%, Ψ=58.5%。而在550 ℃时效4 h后, σ_b=1471 MPa, δ₅=16.0%, Ψ=52.0%。时效过程是第二相析出的过程, 但变形材料在时效受热时, 也会产生回复过程, 回复过程中可能出现亚晶长大、组织长大的现象, 组织粗化对拉伸延性不利。因此高温时效 (如550 ℃) 可能出现强度和塑性同时下降的情况。