固(gu)溶处理(li)对(dui)TB18钛合(he)金(jin)棒(bang)微观(guan)组织和力(li)学(xue)性(xing)能(neng)的(de)影(ying)响规律(lv)

采(cai)用(yong)轻质(zhi)高强(qiang)材(cai)料(liao)可有效降(jiang)低航空(kong)航(hang)天(tian)装(zhuang)备总质(zhi)量(liang)并(bing)提升服(fu)役(yi)水(shui)平。超(chao)高(gao)强钛合金具有高(gao)比强(qiang)度和优异(yi)的耐腐蚀性能(neng)及抗疲(pi)劳(lao)性(xing)能，成(cheng)为(wei)先进(jin)航(hang)空航(hang)天(tian)装备(bei)关键(jian)承(cheng)力构件的(de)首选(xuan)材料[1-3]，如(ru)应(ying)用(yong)于(yu)BOEING777飞(fei)机起(qi)落架的(de)Ti-1023钛合金(jin)[4]和应用于(yu)AIRBUS350飞(fei)机(ji)起(qi)落架(jia)的Ti-5553钛(tai)合(he)金[5]等(deng)亚(ya)稳β型(xing)钛合金(jin)。

超高强高(gao)韧(ren)钛合(he)金(jin)的热(re)处理制度通(tong)常(chang)为(wei)β单相区固(gu)溶(rong)处(chu)理和时(shi)效(xiao)析(xi)出(chu)，通过形(xing)成(cheng)魏氏(shi)组(zu)织的方式(shi)提(ti)升钛合(he)金(jin)的蠕变(bian)抗力、断裂韧性和(he)抗裂纹扩展(zhan)能(neng)力，并有(you)效(xiao)抑(yi)制(zhi)钛(tai)合(he)金在(zai)两(liang)相(xiang)区(qu)加工过(guo)程中(zhong)诱发的微(wei)观组(zu)织(zhi)不均匀性[6-8]。但是由于β相具(ju)有(you)较高(gao)的层错能(neng)，如果固溶(rong)处理制(zhi)度(du)设置(zhi)不(bu)合理，极(ji)易(yi)造成(cheng)β晶(jing)粒(li)快速长大(da)甚(shen)至异(yi)常长(zhang)大(da)，形成(cheng)粗(cu)大的(de)β晶(jing)粒组织，导(dao)致(zhi)强度(du)和(he)塑(su)性显(xian)著下(xia)降，无(wu)法满(man)足微观(guan)组(zu)织(zhi)与力(li)学性(xing)能(neng)间的(de)协(xie)调(diao)匹(pi)配(pei)[9-10]。此(ci)外(wai)，固(gu)溶(rong)后(hou)的冷却过(guo)程(cheng)中(zhong)可(ke)能发(fa)生(sheng)溶(rong)质(zhi)元素(su)脱(tuo)溶(rong)析(xi)出(chu)形成α相，可能引发钛合(he)金微(wei)观组织和力学(xue)性(xing)能(neng)的(de)变(bian)化[11-12]。近期(qi)，我国(guo)开(kai)发(fa)了一种新型(xing)超(chao)高强(qiang)韧TB18钛(tai)合(he)金(jin)，其(qi)名义(yi)成(cheng)分为(wei)Ti-5Al-5Mo-5V-6Cr-1Nb-0.5Fe[13]，然(ran)而，针(zhen)对TB18钛合金(jin)热处理强(qiang)韧(ren)化(hua)的(de)相关研(yan)究报道(dao)较(jiao)少。

为(wei)获(huo)得(de)与(yu)性能(neng)需求相匹配的(de)微(wei)观组(zu)织，明(ming)确(que)超(chao)高强(qiang)高韧(ren)TB18钛(tai)合(he)金的(de)固溶(rong)处(chu)理(li)工艺参数，阐(chan)明(ming)超(chao)高强(qiang)高(gao)韧TB18钛(tai)合金(jin)热处理工(gong)艺(yi)-微观组织-力学(xue)性能间(jian)的交(jiao)互作用关(guan)系(xi)，以两(liang)相(xiang)区成形的TB18钛合金(jin)棒(bang)材为(wei)研(yan)究(jiu)对(dui)象(xiang)，研(yan)究固溶(rong)温度、固(gu)溶(rong)时间(jian)和(he)固溶冷(leng)速对TB18钛(tai)合金(jin)微(wei)观(guan)组织和(he)力学(xue)性(xing)能的(de)影响规(gui)律，给出(chu)超高强(qiang)高(gao)韧钛(tai)合金(jin)TB18的(de)最佳固溶(rong)处(chu)理(li)工(gong)艺参数(shu)，以期(qi)为(wei)超(chao)高强高(gao)韧(ren)TB18钛合金批(pi)量(liang)化(hua)生产提(ti)供合理的(de)热处理(li)制(zhi)度(du)。

1、实验(yan)

采(cai)用(yong)西部(bu)超(chao)导材(cai)料(liao)科(ke)技(ji)股份有限(xian)公(gong)司(si)提(ti)供的α+β两(liang)相(xiang)区锻造(zao)后制(zhi)备(bei)成(cheng)的TB18钛合金Φ400mm棒材，化学成分如表1所(suo)示，α+β/β转变点(dian)温度为(800±5)℃。初始(shi)两相态(tai)TB18钛(tai)合金包含(han)初(chu)生相(xiang)α_p和β基(ji)体，如图1a所示(shi)，初生(sheng)相(xiang)αp均(jun)匀分布(bu)于(yu)β基体中，呈(cheng)球(qiu)状或(huo)粗(cu)棒状(zhuang)。在β基体(ti)中(zhong)还(hai)包含大(da)量片层状(zhuang)次(ci)生相αs和细(xi)针(zhen)状(zhuang)αs，如(ru)图(tu)1b所(suo)示。

热处理试(shi)验(yan)采用Φ400mm×80mm规(gui)格(ge)TB18钛合(he)金试(shi)样片，设计不同固(gu)溶(rong)温(wen)度、固溶时间和(he)固(gu)溶后冷(leng)却(que)速率(lv)的热处理强(qiang)韧(ren)性匹(pi)配试验，工艺(yi)参(can)数(shu)和试验流程(cheng)如(ru)图(tu)2a~2c所(suo)示(shi)，时效(xiao)处(chu)理制(zhi)度统一(yi)为(wei)530℃×4h，AC。采用(yong)Zwick/RoellZ100型(xing)万(wan)用(yong)拉(la)伸机(ji)进(jin)行(xing)室(shi)温拉伸(shen)试验，试验(yan)标(biao)准GB/T228.1，拉伸(shen)试(shi)样(yang)长(zhang)度(du)与方(fang)向(xiang)与试(shi)样(yang)片轴(zhou)线(xian)方(fang)向平(ping)行(xing)，标(biao)距(ju)段长(zhang)度(du)为25mm，直(zhi)径(jing)5mm。采(cai)用(yong)Zwick/RoellRPK300型夏比摆锤冲击试验(yan)机(ji)进行(xing)室(shi)温冲(chong)击(ji)试(shi)验，试(shi)验(yan)标(biao)准GB/T229，冲(chong)击试(shi)样长度(du)方向与(yu)试(shi)样片(pian)轴(zhou)线(xian)方(fang)向(xiang)平(ping)行(xing)，总长55mm，宽度10mm。采用MTSLandmark370.25高(gao)频(pin)疲(pi)劳试验机(ji)进行(xing)平(ping)面(mian)应(ying)变断(duan)裂(lie)韧性(xing)（KIC）测(ce)试(shi)，试(shi)验标准(zhun)GB/T4161，KIC样(yang)品方(fang)形(xing)面(mian)与(yu)试(shi)样片(pian)平面(mian)平(ping)行(xing)，宽(kuan)度62.5mm，厚(hou)度(du)25mm，缺(que)口宽度(du)3mm。每组室(shi)温(wen)拉伸(shen)、室(shi)温冲(chong)击和(he)平(ping)面(mian)应变断(duan)裂(lie)韧度(du)试(shi)验(yan)重复(fu)3次(ci)后取平均(jun)值。采用(yong)奥林巴(ba)斯(si)光学(xue)显微镜（optical microscope，OM）和(he)JEOLIT700型场发射扫(sao)描(miao)电(dian)镜（scanning electron microscope，SEM）对材料的相组(zu)成(cheng)、相形貌(mao)、相分布(bu)进行观(guan)测(ce)。采(cai)用(yong)配(pei)置(zhi)于JEOLIT700型场(chang)发(fa)射SEM上(shang)的OxfordC-Nano型电(dian)子背(bei)散射衍(yan)射(she)（electron back scattere ddiffraction，EBSD）系(xi)统(tong)进(jin)行晶体(ti)取向和结构(gou)表(biao)征，采(cai)用FEITalosF200X型场(chang)发(fa)射(she)透射电(dian)子(zi)显(xian)微(wei)镜(jing)（transmission electron microscope，TEM）获得(de)材料(liao)的(de)两相(xiang)界(jie)面(mian)、位错(cuo)等(deng)微(wei)观组(zu)织结构信(xin)息(xi)，用(yong)于(yu)阐明TB18钛(tai)合金(jin)热(re)处理工艺-微观组织-力学(xue)性能(neng)间(jian)的(de)交(jiao)互(hu)作用(yong)关系(xi)。

2、结(jie)果(guo)与(yu)讨论

2.1固(gu)溶温(wen)度对(dui)TB18钛(tai)合(he)金(jin)组织和(he)性(xing)能的影响

经(jing)过(guo)不同固溶温度处理(li)并(bing)时效后(hou)的TB18钛合(he)金室温拉伸(shen)和(he)室温冲(chong)击试(shi)验结果如图(tu)3所(suo)示(shi)。图3a中绿(lv)线(xian)代表TB18钛合金目标抗拉(la)强(qiang)度(du)1280MPa，紫线代表(biao)TB18钛(tai)合(he)金(jin)目标屈服强度1180MPa，图3b中(zhong)粉(fen)线(xian)代(dai)表TB18钛(tai)合金(jin)目标塑(su)性(xing)延(yan)伸率5%，蓝(lan)线代(dai)表TB18钛合金目(mu)标(biao)冲(chong)击韧性(xing)25J/cm2。当(dang)固溶(rong)温度(du)由800℃提(ti)升至975℃，经过(guo)530℃×4h，AC时效处(chu)理(li)后(hou)的TB18钛合(he)金(jin)的抗(kang)拉强(qiang)度(du)由1378MPa逐(zhu)渐降(jiang)低(di)至1252MPa，呈(cheng)线(xian)性(xing)下(xia)降趋(qu)势。当(dang)固(gu)溶温度由800℃提升(sheng)至870℃时(shi)，延(yan)伸(shen)率(lv)和冲(chong)击韧性分别由3.3%和(he)18.4J/cm²提(ti)升(sheng)至(zhi)8.5%和(he)29.2J/cm²，此时(shi)材(cai)料的强(qiang)度(du)和韧(ren)性满足(zu)超(chao)高强高(gao)韧(ren)TB18钛(tai)合(he)金的(de)需(xu)求(qiu)，即抗(kang)拉(la)强度≥1280MPa，屈(qu)服强(qiang)度(du)≥1180MPa，延(yan)伸(shen)率(lv)≥5%，冲(chong)击(ji)韧性≥25J/cm²。继(ji)续(xu)增(zeng)加(jia)固溶(rong)温度(du)，材(cai)料(liao)的延伸(shen)率和(he)冲(chong)击(ji)均(jun)呈(cheng)现(xian)下降(jiang)趋(qu)势(shi)。

表2列出TB18钛合(he)金经(jing)不(bu)同(tong)温度(du)固(gu)溶(rong)保温(wen)并(bing)在(zai)530℃×4h，AC时效(xiao)后的(de)断裂韧度K_IC值(zhi)。当固(gu)溶温度(du)在835~905℃时，时(shi)效(xiao)后TB18钛(tai)合金的(de)断裂(lie)韧度(du)均(jun)大(da)于超高(gao)强高(gao)韧(ren)钛合金的(de)标准(zhun)值65MPa·m^1/2。当固溶温(wen)度为(wei)835℃时，TB18钛合金(jin)的(de)断(duan)裂(lie)韧度为(wei)(75.6±0.7)MPa·m^1/2；提(ti)升固溶温(wen)度至(zhi)870℃后，断(duan)裂韧度(du)值(zhi)为(88.4±1.5)MPa·m^1/2；继(ji)续提(ti)升温度(du)至(zhi)905℃后，断裂(lie)韧(ren)度(du)值(zhi)为(95.7±0.6)MPa·m1/2。

图4给(gei)出了经过(guo)835、870、940和(he)975℃固溶2h空(kong)冷(leng)后(hou)的(de)TB18钛合金(jin)的OM照(zhao)片(pian)，经(jing)过(guo)β单相(xiang)区固(gu)溶后(hou)TB18钛合(he)金的(de)晶(jing)粒均(jun)呈等轴(zhou)状(zhuang)。随(sui)固溶温度的(de)提升，TB18钛(tai)合金的平(ping)均晶粒(li)尺寸(cun)由150μm提(ti)升(sheng)至335μm，表(biao)明(ming)提(ti)升固(gu)溶温度(du)有利于(yu)TB18钛(tai)合金(jin)发生静态(tai)再结晶(jing)引发(fa)晶(jing)粒(li)的均匀(yun)长大，晶粒的(de)晶界相(xiang)对平(ping)直，多条(tiao)晶(jing)界汇集时在(zai)二维观(guan)察面(mian)中(zhong)形成(cheng)120°稳定三(san)叉(cha)晶界。此外(wai)，当(dang)固溶温(wen)度由(you)835℃提升至870℃后，平(ping)均(jun)晶(jing)粒尺(chi)寸(cun)增(zeng)加(jia)10μm；当(dang)固溶(rong)温度由(you)940℃提升(sheng)至975℃后，平(ping)均晶(jing)粒(li)尺(chi)寸(cun)增(zeng)加(jia)90μm，表明在相同(tong)固(gu)溶(rong)时(shi)间条件(jian)下，β单相(xiang)区固(gu)溶(rong)温度越(yue)高(gao)，越(yue)有(you)利于β晶粒(li)的长(zhang)大(da)粗(cu)化。

依据Hall-Patch关(guan)系，增加(jia)β单(dan)相区(qu)固(gu)溶温度(du)引发(fa)的(de)晶粒长(zhang)大导(dao)致材料强(qiang)度(du)下(xia)降(jiang)。此(ci)外(wai)，在800℃固溶后平均晶粒(li)尺寸较小，提供(gong)了(le)更多(duo)有(you)利(li)于元素扩散的(de)错(cuo)配程(cheng)度(du)相对(dui)较(jiao)高(gao)的(de)晶界(jie)，时(shi)效过(guo)程中部(bu)分元(yuan)素(su)优先(xian)在(zai)此(ci)处(chu)聚集，使(shi)晶(jing)界(jie)相(xiang)粗(cu)化，降低材料的(de)塑性(xing)和(he)韧(ren)性(xing)。提升(sheng)固溶温度(du)后(hou)，一方(fang)面材(cai)料(liao)在(zai)静态再结晶(jing)作用下发生晶粒长(zhang)大(da)，降低材料(liao)强度；另一(yi)方面，晶(jing)界(jie)错(cuo)配程度(du)降(jiang)低(di)，晶(jing)界相扩散(san)形(xing)核(he)难度增加，材(cai)料(liao)的(de)塑(su)性(xing)提升[14]。因此(ci)，当(dang)固(gu)溶(rong)温(wen)度由(you)800℃提升至(zhi)870℃时，TB18钛合(he)金强度(du)降低(di)但(dan)是塑性(xing)和(he)韧(ren)性(xing)逐渐提高。当固(gu)溶温(wen)度超过(guo)870℃，TB18钛(tai)合金(jin)的平均晶(jing)粒尺寸(cun)快(kuai)速增(zeng)长(zhang)，使材料(liao)强度(du)降低的同(tong)时(shi)，可提供(gong)TB18钛合金(jin)位错(cuo)交(jiao)滑(hua)移(yi)的界面减(jian)少，使材(cai)料的(de)塑性(xing)和(he)韧性降(jiang)低(di)。综上(shang)所(suo)述，适用(yong)于(yu)制(zhi)备(bei)超高(gao)强高(gao)韧TB18钛合(he)金(jin)的β单(dan)相(xiang)区(qu)固(gu)溶(rong)温(wen)度(du)为(wei)870℃。

经过时效(xiao)处理后(hou)TB18钛(tai)合金(jin)中元(yuan)素(su)分布(bu)如图(tu)5所(suo)示。β基体中(zhong)析出大(da)量(liang)片(pian)层(ceng)和针状(zhuang)αs相，如图5a所(suo)示(shi)。Al元素(su)均匀分(fen)布，如图(tu)5b所(suo)示。时效后(hou)TB18钛合(he)金中还分布有(you)Mo、V和Cr的β稳定(ding)元素(su)，如(ru)图(tu)5c~5e所(suo)示，可以向(xiang)TB18钛合金(jin)提供(gong)固溶(rong)强(qiang)化效果[15-16]。中性元素(su)Nb均匀分(fen)布，如图5f所示(shi)。

如图6a，6b所示(shi)，经过(guo)870℃×2h，AC固(gu)溶和530℃×4h，AC时效处理后(hou)TB18钛合(he)金的(de)β基(ji)体中(zhong)析出了(le)大(da)量(liang)片层(ceng)和(he)针(zhen)状(zhuang)αs，长度(du)为(wei)100nm~5μm，宽度(du)小(xiao)于200nm。这些(xie)αs相互之间(jian)平行(xing)或(huo)呈(cheng)一定(ding)夹(jia)角(jiao)，表(biao)明(ming)与(yu)β基(ji)体存在(zai)强(qiang)烈的Burgers关(guan)系(xi)[17]。时效后TB18钛(tai)合(he)金(jin)承(cheng)受(shou)塑(su)性变(bian)形(xing)时，位错(cuo)需绕(rao)过(guo)或(huo)切(qie)过(guo)这(zhe)些相和(he)两相(xiang)界面，变形(xing)抗力增(zeng)加，因此(ci)形成(cheng)了(le)强(qiang)烈的强(qiang)化效果(guo)。当(dang)固(gu)溶(rong)温度(du)提高至(zhi)905℃，TB18钛(tai)合金的(de)β基体(ti)中同(tong)样析(xi)出(chu)了(le)弥(mi)散分布的片层和针(zhen)状αs相(xiang)，但(dan)是部(bu)分αs相发生粗化，如(ru)图(tu)6c，6d所(suo)示(shi)。可能的原(yuan)因是固(gu)溶后(hou)冷(leng)却(que)过程(cheng)中(zhong)析出(chu)少量αs相(xiang)，并在(zai)时(shi)效后发生粗化，表(biao)明(ming)TB18钛合金(jin)在(zai)β单(dan)相(xiang)区固溶时，提升固溶温(wen)度(du)会(hui)轻(qing)度(du)影响(xiang)αs相(xiang)的(de)尺(chi)寸(cun)与(yu)形(xing)貌(mao)。

Liu等人(ren)[18]通(tong)过Ti-55511钛合(he)金(jin)的热(re)处(chu)理试(shi)验，认为近β型(xing)钛合(he)金(jin)的晶粒(li)尺(chi)寸(cun)粗(cu)化(hua)和片层αs相(xiang)的(de)粗化可(ke)以(yi)提(ti)升(sheng)近(jin)β型钛(tai)合金的(de)断裂韧(ren)性。由(you)于TB18钛(tai)合金固(gu)溶温(wen)度(du)引发β晶(jing)粒粗化(hua)和(he)片层(ceng)αs相(xiang)粗(cu)化(hua)，并(bing)且(qie)形(xing)成典型魏(wei)氏组(zu)织，有效(xiao)阻(zu)碍了裂(lie)纹拓展的(de)路径，因此通过提升(sheng)固(gu)溶温度，可(ke)以有(you)效(xiao)提(ti)升(sheng)TB18钛(tai)合(he)金(jin)的(de)断裂(lie)韧性。

图7展示(shi)了(le)经870℃×2h，AC固溶(rong)和530℃×4h，AC时(shi)效(xiao)后(hou)TB18钛合金(jin)晶内(nei)αs相(xiang)和晶界(jie)αs相(xiang)的(de)SEM照(zhao)片(pian)和EBSD结(jie)果(guo)。如图7a~7c所示(shi)，晶(jing)内hcp结构(gou)片层(ceng)αs相与bcc结(jie)构(gou)的β基(ji)体(ti)存(cun)在取向(xiang)关(guan)系(xi)，相(xiang)间(jian)KAM值较(jiao)小(xiao)，界面较(jiao)为(wei)稳定(ding)。晶(jing)界(jie)αs相片(pian)层厚(hou)度（约(yue)1μm）略(lve)大(da)于晶界两(liang)侧αs相，相内(nei)KAM值较小，而(er)晶(jing)界(jie)两侧(ce)αs相取(qu)向(xiang)差较大，处亚(ya)稳状(zhuang)态。如果(guo)发(fa)生后续(xu)塑(su)性(xing)变形，位(wei)错容易(yi)在(zai)晶(jing)界(jie)αs相界面(mian)快(kuai)速(su)累(lei)积(ji)[19-20]，因此(ci)晶界αs相会弱化(hua)材(cai)料的(de)塑(su)性和韧性。

图(tu)8给出(chu)了(le)经(jing)870℃×2h，AC固(gu)溶和530℃×4h，AC时(shi)效后TB18钛合(he)金(jin)的晶(jing)界附近(jin)典型形貌TEM照(zhao)片。获(huo)取选区(qu)电(dian)子衍射（selected area electron diffraction，SAED）和(he)高(gao)分(fen)辨TEM（high-resolution transmission electron microscopy，HRTEM）时(shi)电子束入(ru)射角(jiao)为[110]β。由(you)图8a~8e可知(zhi)，经(jing)热处理(li)后TB18钛合(he)金(jin)晶界(jie)附近存(cun)在大量相互(hu)平(ping)行(xing)且较(jiao)长(zhang)的片层(ceng)αs相束(shu)集(ji)，与晶界(jie)垂(chui)直(zhi)分布，呈典(dian)型(xing)魏氏组(zu)织分布形貌(mao)[21-22]。这种晶(jing)界(jie)处生(sheng)成(cheng)的(de)魏(wei)氏组(zu)织(zhi)可(ke)以(yi)钉(ding)扎位错[23-24]，有(you)利(li)于(yu)提(ti)高TB18钛(tai)合(he)金强(qiang)度(du)。

2.2固溶(rong)时间对TB18钛合(he)金(jin)组织(zhi)与(yu)性(xing)能的(de)影响(xiang)

固(gu)溶(rong)保(bao)温(wen)时间是(shi)决(jue)定(ding)钛合(he)金固(gu)溶(rong)度的(de)因素之(zhi)一(yi)。为(wei)保证试(shi)样(yang)片(pian)充分预(yu)热，应(ying)保证(zheng)TB18钛合(he)金在(zai)固(gu)溶温(wen)度下保(bao)温(wen)充(chong)足的(de)时间(jian)；同时，如果(guo)TB18钛(tai)合金(jin)在(zai)β单相(xiang)区(qu)固溶时间(jian)过长(zhang)，容易导致β晶粒(li)粗(cu)化。如(ru)图9a，9b所示(shi)，当(dang)TB18钛合金在870℃固溶4h，AC后(hou)，平(ping)均晶(jing)粒尺(chi)寸为(wei)255μm，相比(bi)于(yu)870℃×2h，AC样品(pin)，晶粒尺寸(cun)增加(jia)95μm；当固溶(rong)时(shi)间(jian)延(yan)长至8h，平均晶(jing)粒(li)尺(chi)寸为(wei)380μm，晶粒显(xian)著粗(cu)化(hua)，不(bu)利(li)于(yu)TB18钛合获得(de)良(liang)好的塑性(xing)和(he)韧性(xing)。

图(tu)10给(gei)出了(le)经过(guo)870℃固(gu)溶(rong)不(bu)同时间(jian)后(hou)AC并(bing)经过530℃×4h，AC时效(xiao)处理后的(de)TB18钛(tai)合金的(de)力(li)学性(xing)能(neng)。由图10a可(ke)知，TB18钛合金在β单相(xiang)区(qu)固溶并(bing)时效(xiao)后的强(qiang)度对固(gu)溶(rong)时间有关联(lian)性。由(you)于试(shi)样(yang)片直径(jing)和厚(hou)度较(jiao)大(da)，固(gu)溶(rong)时间为(wei)1h时(shi)试(shi)样片(pian)未(wei)完全热(re)透(tou)，固溶度(du)相对(dui)较低(di)，无法获得(de)充(chong)分(fen)时效析出(chu)强(qiang)化(hua)效果。同(tong)时由(you)于(yu)固溶(rong)时间短(duan)，材料(liao)内静(jing)态(tai)再结晶程(cheng)度相(xiang)对(dui)较低，锻造(zao)时残(can)余(yu)的位(wei)错并(bing)未(wei)完(wan)全(quan)通过再结(jie)晶的(de)方式(shi)耗散(san)，在后续变形中(zhong)容易(yi)达(da)到(dao)断裂失(shi)效(xiao)的临(lin)界(jie)值，降低材料(liao)的塑性(xing)和(he)韧(ren)性。延(yan)长(zhang)固(gu)溶时间至(zhi)2h，试样片(pian)完(wan)全热(re)透，固溶度较(jiao)高，时效析(xi)出强(qiang)化效果(guo)好，此时(shi)，TB18钛(tai)合金时效后(hou)的抗(kang)拉(la)强度为1315MPa、屈服(fu)强度(du)1225MPa，延(yan)伸(shen)率(lv)为8.5%、冲(chong)击(ji)韧性为29.2J/cm2，满(man)足超高强(qiang)高(gao)韧(ren)TB18钛合金的(de)性能需求。继续延(yan)长固溶时间，TB18钛(tai)合(he)金(jin)的(de)强(qiang)度(du)、塑(su)性和韧(ren)性均发生(sheng)下降(jiang)，主(zhu)要由(you)于固(gu)溶时间(jian)增加后(hou)TB18钛合(he)金在热激活(huo)作(zuo)用(yong)下发(fa)生静态(tai)再(zai)结(jie)晶，β晶粒(li)尺(chi)寸(cun)显著增加(jia)后(hou)导(dao)致强(qiang)度和塑韧(ren)性下(xia)降(jiang)。综上(shang)所述(shu)，当(dang)固溶(rong)时(shi)间(jian)为2h时(shi)，TB18钛(tai)合(he)金(jin)的强度和塑韧性(xing)匹(pi)配值(zhi)最高(gao)。

2.3固(gu)溶(rong)冷速对(dui)TB18钛(tai)合金(jin)组织与性(xing)能的影(ying)响

0.25℃/s时(shi)，TB18钛合金的(de)β晶粒中析(xi)出(chu)了(le)大量(liang)细(xi)密的针(zhen)状αs相，如图11a，11d所(suo)示。这(zhe)是由(you)于(yu)固溶(rong)后冷(leng)却过程中，TB18钛(tai)合金经历(li)了αs相的(de)析(xi)出区(qu)间(jian)，当(dang)冷(leng)速率较(jiao)低(di)时，产(chan)生了与时效处(chu)理类似(shi)的析出沉(chen)淀效果，因(yin)此(ci)在(zai)不经(jing)过(guo)时效处(chu)理的(de)条件下就(jiu)获(huo)得了较为(wei)细密(mi)的αs相(xiang)，但是(shi)存在(zai)少量(liang)无(wu)析(xi)出(chu)区(qu)（precipitates-freeregion）。固(gu)溶(rong)冷(leng)却速(su)率(lv)提(ti)升(sheng)至(zhi)0.5℃/s后，同样(yang)析(xi)出(chu)了αs相(xiang)，但(dan)是(shi)β晶(jing)粒内部(bu)无析(xi)出区(qu)占(zhan)比(bi)增加(jia)，如图11b，11e所(suo)示(shi)。这是(shi)由(you)于冷速增加后TB18固溶冷却(que)后经过αs相析(xi)出温(wen)度(du)区(qu)间(jian)的时(shi)间减少，为(wei)αs相析(xi)出提(ti)供(gong)的(de)热(re)驱(qu)动(dong)能量减(jian)少，抑制了αs相(xiang)的析出(chu)。当固溶冷(leng)却(que)速率提升(sheng)至1℃/s后，晶界无(wu)析(xi)出区(qu)的占比继续(xu)增加，仅(jin)在晶内(nei)和晶界(jie)析(xi)出(chu)了(le)部(bu)分(fen)αs相(xiang)，如图11e，11f。

图(tu)12给出(chu)了(le)经870℃固(gu)溶(rong)2h后以不同冷却速(su)率炉冷(leng)至150℃并(bing)经过530℃×4h，AC时(shi)效处理后(hou)TB18钛(tai)合金的力(li)学(xue)性能。图13为对应(ying)的组(zu)织(zhi)形貌(mao)。由图(tu)12a可(ke)知，当TB18钛合(he)金(jin)固(gu)溶后(hou)以(yi)0.25℃/min炉(lu)冷并时(shi)效(xiao)后(hou)的强(qiang)度(du)较(jiao)低为1180MPa，这(zhe)是由(you)于部分(fen)低(di)速(su)缓冷(leng)过程中(zhong)析(xi)出的(de)αs相严(yan)重粗化，呈板(ban)条状(zhuang)，如图13a，13d所(suo)示(shi)。虽然通(tong)过时(shi)效(xiao)处理消(xiao)除了β晶(jing)粒内部(bu)无析(xi)出(chu)区(qu)，但是(shi)部分(fen)缓冷过程(cheng)中(zhong)析出的αs相(xiang)进一(yi)步(bu)吸(xi)收(shou)形(xing)核点附(fu)近的溶质(zhi)Al元素(su)，发(fa)生长(zhang)大和(he)粗化(hua)，导(dao)致αs相(xiang)尺寸(cun)不(bu)均匀，图11给出(chu)了(le)经(jing)870℃固溶(rong)2h后(hou)以(yi)不同冷却速(su)率(lv)炉(lu)冷(leng)至(zhi)150℃后TB18钛(tai)合金(jin)的组(zu)织(zhi)形(xing)貌。当(dang)固溶冷(leng)速(su)为不利于TB18钛合金(jin)获得优异的强度(du)。当(dang)固溶(rong)冷(leng)速提(ti)升(sheng)至0.5℃/min后，TB18钛合(he)金通(tong)过时(shi)效析(xi)出获(huo)得(de)了(le)良(liang)好的(de)强度(du)，但是(shi)塑(su)性(xing)降(jiang)低，如(ru)图(tu)13b，13e所示(shi)。当固溶冷(leng)速进(jin)一步提(ti)升(sheng)至(zhi)1℃/min后(hou)，原(yuan)始缓冷组织中的无析(xi)出区(qu)中(zhong)均(jun)析出(chu)了细小(xiao)弥散的针(zhen)状次生αs相(xiang)，如(ru)图13c，13f所(suo)示，使(shi)TB18钛合金(jin)抗(kang)拉强度提升至(zhi)1343MPa，屈服强度达(da)到(dao)1179MPa，延伸率则(ze)降(jiang)低至5.0%。

3、结论

1）通过(guo)β单相区(qu)固(gu)溶(rong)和时效(xiao)处理后(hou)，TB18钛合(he)金(jin)中β基(ji)体中(zhong)析(xi)出(chu)片(pian)层和针(zhen)状(zhuang)αs相(xiang)，使TB18钛合金获得(de)良好(hao)的析(xi)出(chu)强化效(xiao)应。形(xing)成(cheng)的片层(ceng)状(zhuang)αs相有利于提(ti)升(sheng)TB18钛合(he)金(jin)的(de)韧(ren)性，片层(ceng)厚(hou)度越(yue)大(da)，TB18钛合(he)金的断(duan)裂韧(ren)性(xing)越好。

2）TB18钛合金在β单(dan)相区(qu)固(gu)溶(rong)后(hou)形成(cheng)亚稳等(deng)轴β晶粒，且(qie)晶粒尺寸与固(gu)溶温度(du)和固溶时间(jian)相(xiang)关。固(gu)溶温(wen)度(du)过(guo)高(gao)或固溶(rong)保温时(shi)间过(guo)长将导致(zhi)TB18钛(tai)合(he)金β晶粒(li)发生(sheng)粗(cu)化(hua)，使材(cai)料强(qiang)度(du)和(he)塑(su)性下降。当固(gu)溶制(zhi)度为870℃×2h，AC时，TB18钛(tai)合金可(ke)在(zai)530℃×4h，AC条(tiao)件下时(shi)效(xiao)后获得良(liang)好(hao)的强韧(ren)性匹配，抗(kang)拉(la)强(qiang)度为1315MPa，屈服(fu)强(qiang)度(du)为1225MPa，延(yan)伸率为8.5%，冲击(ji)韧性(xing)为(wei)29.2J/cm²，断(duan)裂韧度值(zhi)为(wei)88.4MPa·m^1/2。

3）固溶(rong)后冷(leng)却(que)速率(lv)影(ying)响(xiang)TB18钛(tai)合金的力(li)学性能(neng)。当固(gu)溶后TB18钛合(he)金以(yi)0.25℃/min冷却至(zhi)150℃后(hou)，β基(ji)体(ti)中(zhong)已(yi)经(jing)析出了(le)大量(liang)αs相，同(tong)时(shi)存在(zai)少(shao)量(liang)无(wu)析出(chu)区(qu)。经过530℃×4h，AC时(shi)效(xiao)后无析出(chu)区消失，部分(fen)αs相明(ming)显(xian)粗化，TB18钛(tai)合(he)金(jin)抗拉强(qiang)度(du)降低(di)为1180MPa。提升(sheng)固溶冷(leng)速至(zhi)1℃/min后(hou)，经(jing)870℃固溶(rong)的TB18钛合(he)金在(zai)未(wei)时(shi)效前存在大(da)量(liang)无析(xi)出区，但(dan)是(shi)在(zai)530℃×4h，AC时效(xiao)后获得了(le)均匀(yun)细(xi)密(mi)的(de)αs相，抗拉(la)强度(du)提高(gao)达到(dao)1343MPa，延(yan)伸率(lv)为(wei)5.0%。

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