拉伸温度对TB9钛合金矩形材显微组织、力学性能的影响

拉伸温度对 TB9 钛合金 矩形 材 显微组织、力学性能的影响

马元杰 孙虎代 魏高燕 朱玉香

（宝鸡钛业股份有限公司，宝鸡， 721014）

摘 要： TB9是一种亚稳定型β钛合金。该合金冷成型性能较好，可热处理强化，目前只要作为航空弹簧被广泛应用。本文主要研究了不同拉伸温度对TB9矩形材的组织、性能的影响。结果表明，相变点以下拉伸可获得组织、性能较为优良的TB9型材。

关键词：TB9矩形材；拉伸温度；显微组织；力学性能

EFFECT OF TENSILE TEMPERATURE ON MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF TB9 TITANIUM ALLOY RECTANGULAR MATERIAL

Ma Yuanjie,Sun Hudai,Wei Gaoyan,Zhu Yuxiang

(Baoji Titannium lndustry Co.,Ltd,Baoji 721014,China)

Abstract:TB9 is a metastable titanium alloy.The alloy has good cold forming property and can be strengthened by heat treatment.It is widely used as aviation spring at

Present.This paper mainly studies the influence of different tensile temperature on the

Microstructure and properties of TB9 rectangular material.The results show that TB9

Profiles with better microstructure and properties can be obtained by stretching

below the phase transition point.

Key words:TB9 rectangular material;Tensile temperature;Microstructure;Mechanical

Property

前言

钛及钛合金之所以能成为航空、航天领域的首选结构材料，是因为其具有的比强度高、非磁性、线膨胀系数小、耐腐蚀等优点。随着舰船、化工、医疗等领域的发展，钛及钛合金也逐渐成为其他领域的首选材料。

由于β钛合金可进行热处理强化，其强度甚至可达到1400MPa以上，远高于一般中等强度的α或α+β钛合金，且β钛合金具有较好的抗裂纹扩展能力及疲劳性能。同时β钛合金具有较好的冷、热成型性，易变性，可焊接。经过几十年的发展、应用，β钛合金已广泛应用于航空、航天、医疗等领域中，已成为上述领域不可或缺的结构、功能材料。

TB9名义化学成分为Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr，为我国仿制国外的β-C或Ti-38644的一种亚稳定型β钛合金。该合金冷成型性能较好，可热处理强化，目前只要作为航空弹簧被广泛应用。由于其具有的优良的高强度、耐腐蚀性能，近年来还将其应用于航空紧固件、石油钻井等领域。

本文通过对设计¨5.56×6.06mm矩形材拉伸模具，以及研究不同拉伸温度对TB9钛合金显微组织、室温拉伸性能的影响，对小规格TB9矩形材的生产具有重要意义。

1 实验材料、设备及方法

实验用材料为宝鸡钛业股份有限公司生产的规格：Φ8.5mm轧制棒材，轧制温度在β+40℃，变形量为96%左右。棒材化学成分符合相应国标、企标要求，其中相变点实测值为780～785℃，显微组织见图1。坯料（型材）加热设备为管式电阻炉，炉温均匀＜±15℃，型材拉伸设备为链式拉丝机。型材拉伸工艺参数及试样热处理制度见表1。

图1 TB9棒材显微组织

表1 型材拉伸工艺及试样热处理制度

针对矩形材的拉伸，设计了专用模具，设计拉伸模具的基本原则如下^[1]：

1. 由于实现拉伸变形的基本条件为拉拔应力，材料的横向尺寸是不会产生类似轧制宽展现象的，因此各拉伸道次的外形尽可能包括在坯料外形之中；

2. 为了使型材变形更加均匀，坯料各部分同时得到尽可能均匀的压缩；

3. 考虑到钛合金的变形抗力较大，各拉伸道次的拉伸变形量较小。

2 试验结果分析与讨论

2.1 拉伸温度对显微组织的影响

不同温度拉伸的TB9型材R、ST、STA态显微组织分别见图2、3。由于TB9钛合金添加了约18%的β稳定元素，其在相变点以上拉伸时并自然冷却后，其β相亦可保留至室温；但在相变点以下拉伸时，在动态再结晶作用下，在原始β晶界处形核、长大。经相变点以上固溶热处理后，相变点以下拉伸的型材晶粒较为细小均匀，但经时效热处理后，两种温度拉伸的型材显微组织无明显差异。

a

b

c

图2 β+30℃拉伸的TB9型材R（a）、ST（b）、STA（c）态显微组织（×100）

a

b

c

图3 β-30℃拉伸的TB9型材R（a）、ST（b）、STA（c）态显微组织（×100）

2.2 拉伸温度对力学性能的影响

不同温度拉伸的TB9型材R、ST、STA态力学性能分别见图4、5。由相应检测数据可以看出，相变点以下拉伸的型材其强度、塑性均明显优于相变点以上拉伸的型材。

图4 不同拉伸温度TB9型材抗拉、屈服强度

图5 不同拉伸温度TB9型材断后伸长率、断面收缩率

2.3 讨论

上述试验结果显示，拉伸温度对TB9型材的显微组织、力学性能的影响是较为明显的，尤其是力学性能方面。型材在相变点以下拉伸变形，α相在原始β晶界处形核并长大，α相的出现对原始β晶界起到的强化作用，因此其强度高于相变点以上拉伸的型材。

经固溶热处理后，相变点以下拉伸的型材晶粒更加细小均匀，较细的晶粒受到外力发生塑性形变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较为均匀，应力集中较小；而且晶粒越细小，晶界面积越大，晶界越弯曲，越不利于裂纹的扩展，在提高强度的同时，塑性也有所提高。因此相变下拉伸的型材ST态强度、塑性均较高。

TB9经固溶热处理后形成亚稳定β相，即β_m相。亚稳定β_m相在550℃以下温度时效时首先析出ω_α相，继续时效ω_α相转变为α相。ω_α相向α相转变形式之一为，α相在β_m晶界或β_m+ω_α母相上不均匀形核、长大并“吞食”ω_α相^[2]。由于相变点下拉伸的型材固溶热处理后晶粒较为细小，晶界面积较大，有利于时效热处理过程中α相的析出，因此其强度较高，但其塑性也较高的原因还有待进一步研究。

3 结论

拉伸温度对TB9合金型材的显微组织、力学性能均有显著影响，相变点以下拉伸变形，可获得显微组织、力学性能匹配较为良好的型材。

4 参考文献

1. 马怀宪，金属塑性加工学，冶金工业出版社，2004.

2. 稀有金属材料加工手册，冶金工业出版社，1984.