TB8钛合金的名义成分为Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si，是一种亚稳态β钛合金。与其它钛合金相比，TB8钛合金不仅具有高强度、低模量、优异的成型性和耐腐蚀性能，还具有优良的高温强度、高温抗氧化性能，因此该合金可以作为一种较为理想的航空结构材料[1-3]。
通常β型钛合金可以通过固溶+时效热处理实现其微观组织的调控，从而提高其使用性能。钛合金由于固溶冷却方式的不同使得合金强度存在差异。但固溶冷却方式的改变对合金组织和性能的影响还存在较大的争议。王庆娟等[4]的研究表明，新型β钛合金（Ti-3Al-8V-4Mo-4Cr-4Zr-2Nb-2Fe）固溶水冷+时效因其冷却速度较固溶空冷+时效快，晶界更清晰，晶内更干净，析出相体积分数小，因此合金强度低于固溶空冷，但存在析出不均匀的现象。邓喆等[5]的研究表明，TC18钛合金固溶水冷因其冷却速度较空冷快，大量亚稳β相得以保留，时效过程中分解析出较多细针状α相，因而固溶水冷+时效合金强度高于空冷。综上可知，固溶冷却方式对β钛合金的组织性能影响尚不十分明确。而国内外针对固溶冷却方式对TB8钛合金组织和性能影响的研究鲜有报道。因此，本文针对固溶冷却方式及不同冷却方式下时效温度对TB8钛合金显微组织和拉伸性能的影响进行了研究，从而为TB8钛合金在航空航天飞行器超高强度紧固件、弹性组件及结构件中的应用提供参考[6]。
1、试验材料与方法
本试验所用的材料为TB8钛合金。试样尺寸为φ50mm的棒材，用金相法测定得其相变点为800℃。
本试验所选的固溶温度为830℃，保温时间为1h，冷却方式分别为空冷（AC）和水冷（WQ）。随后进行时效处理，时效温度分别选取530、550、570、590℃，保温8h，空冷，共10种不同热处理制度，具体的试验热处理制度及编号见表1。从φ50mm钛合金棒材中用线切割切成10mm×10mm×18mm的长方体试样，进行固溶时效热处理，随后对试样进行室温拉伸性能测试，并观察合金的显微组织。试样的室温拉伸性能测试在Instron5969拉伸试验机上进行。热处理后的合金采用DM2000X倒置金相显微镜和phenom台式扫描电镜观察显微组织。热处理设备为CWX-5-12C型中温箱式热处理炉。
2、试验结果及讨论
2.1固溶冷却方式及时效温度对β晶粒尺寸的影响
图1是TB8钛合金试样经过830℃固溶处理后不同冷却方式下的显微组织。通过观察金相组织可以发现，合金经过830℃固溶处理后，组织全部转变为单一的β晶粒组织。原因是830℃处在β相变点以上，固溶处理后获得单一的亚稳相组织。固溶处理后不同冷却方式下所得到的晶粒大小略有差异，经统计，830℃固溶处理后空冷平均晶粒尺寸为60μm左右，水冷后晶粒尺寸较空冷后晶粒尺寸略显细小。时效温度对β晶粒尺寸的影响可以忽略，故本文不再赘述。
2.2固溶冷却方式及时效温度对α相形貌尺寸的影响
图2为TB8钛合金经过不同热处理工艺后的显微组织。其中，图2（a）～（d）分别为合金在830℃固溶空冷条件下不同温度时效处理后的显微组织形貌。从图中可看出，试样经过时效处理后α相的形貌和位置会有所差异。时效后析出α相的原因是试样在β相区固溶后得到是亚稳定的β相，在随后的时效过程中会产生很大的驱动力分解成α相[7]。合金在530℃进行时效处理时，在β相晶粒的内部以及晶界位置同时均匀析出针状或短棒状的次生α相，如图2（a）所示。当时效温度升高到550℃时，细小的晶界α相向晶粒内部生长，并伴随着α相的粗化（图2（b））。当时效温度继续升高到570℃（图2（c））时，不同取向的片层α相相互交叉，形成网状结构。
当时效温度达到590℃时，α相更加粗大（图2（d））。图2（e）～（h）分别为TB8钛合金在830℃固溶处理水冷后，不同温度时效处理后的显微组织。从中可以发现，固溶后冷却方式的变化并不会对时效后合金相组成与分布产生较大影响。对比可知，相较于空冷，合金在水冷后析出的次生α层更加细小。由于水冷时冷却速度较高，此时合金的瞬时过冷度较大，故α相的形核率较高。由于相互竞争生长，固溶后水冷处理可获得较为细化的α片层组织。当合金在530℃进行时效处理时，在β相晶粒的晶界位置和晶粒内部都会析出针状或短棒状的α相，晶界处的α相垂直于晶界平行排列，晶粒内部的α相相互交叉排列呈一定的角度。随着时效温度的继续升高，次生α相发生粗化逐渐长大成为大尺寸的α相片层，长大的α相片层贯穿整个β相晶粒，并相互交织成网状，如图2（g）、（h）所示。
为了更清楚地分析固溶冷却方式和时效温度对α相形貌尺寸的影响，本文基于扫描图像对部分热处理工艺下的组织进行统计分析（图3）。图3（a）是试样经过830℃固溶空冷+530℃时效后的扫描图。经过统计得出，此时α相的宽度为0.18μm。当时效温度达到590℃时，α相的宽度增加到0.50μm（图3（b））。由图3（c）、（d）知，水冷+530℃时效后，α相的宽度为0.15μm；当时效温度达到590℃时，α相的宽度为0.42μm。可以发现：无论固溶后采取何种冷却方式，随着温度的升高，α相的宽度都在不断增加。原因是合金在比较高的温度下时效时，相变驱动力较小，α相形核动力不足，使其形核受到影响，此时溶质的扩散速度较快，容易形成大尺寸的α相[8]。在相同时效温度下，水冷后α相的宽度比空冷后α相的宽度减小了0.03～0.08μm。
2.3时效温度对室温拉伸性能的影响
图4是TB8钛合金在不同热处理制度下的工程应力-应变曲线。从图中可以看出，不同的时效处理温度下合金的拉伸性能存在较大的差异。图4（a）是TB8钛合金在830℃固溶空冷条件下的工程应力-应变曲线。相较于固溶态，合金经时效处理后强度明显提升。固溶空冷后合金的屈服强度为800MPa，当时效温度为530℃时，试样的屈服强度增加幅度最大，强度提高了287MPa，达到1087MPa。TB8钛合金时效后强度提高的主要原因是时效强化，合金在单相区固溶处理后可以得到过饱和固溶体，过饱和固溶体大多数是亚稳定的，在加热到一定温度后会发生分解产生第二相，第二相可阻碍位错运动，从而起到强化作用。从图4（a）中可以看出，随着时效温度的升高，合金的强度呈下降趋势。当时效温度在530℃时，在晶界和晶粒内部都有α相的析出，α相的尺寸最小，数量最多，因此合金的屈服强度最高，此时合金的屈服强度为1087MPa。当时效温度升高到550℃时，合金的屈服强度下降为1077MPa。随着温度的升高，α相的生长获得了充足的驱动力，α相的尺寸在不断增加。析出相的粗化降低了位错滑移阻力，削弱了时效强化效果，因此合金的强度在不断降低。当时效温度升高到570℃时，合金的屈服强度降低到1002MPa。当时效温度达到590℃时，合金的强度最低，此时合金的屈服强度为813MPa。图4（b）是TB8钛合金在830℃固溶水冷条件下的工程应力-应变曲线。从图4（b）可知，合金在经过固溶水冷+时效处理及固溶空冷+时效处理后强度的变化趋势相同。水冷后合金的屈服强度为820MPa，水冷+时效后合金的最高强度同样在时效530℃时得到，此时屈服强度为1108MPa，抗拉强度为1190MPa。当时效温度达到590℃时，合金强度下降幅度最大，此时合金的强度最低，屈服强度为633MPa，抗拉强度为682MPa。
时效温度的变化不仅会对合金的强度产生影响，同时，还会对合金的塑性产生影响。随着时效温度的提高，合金塑性在整体上呈现增加的趋势。原因是随着温度的升高，α相宽度增加，粗化的次生α相使裂纹扩展路径更加曲折，增加了裂纹扩展阻力，最终提高了合金的延性和断裂韧性[9]。固溶后空冷条件下，合金的塑性由530℃时效后的6.4%升高到590℃时效后的13.6%。在固溶后水冷条件下，合金的塑性由530℃时效后的5.6%升高到590℃时效后的14.3%。
2.4固溶冷却方式对室温拉伸性能的影响
固溶后冷却方式的不同也会导致合金的强度存在差异。图5为不同固溶冷却方式对TB8钛合金强度的影响。整体来看，当时效温度在530～570℃水冷条件下，合金的强度比空冷条件下强度略高，其中570℃水冷条件下合金的屈服强度比空冷条件下屈服强度提高了45MPa（图5（a））。原因是在830℃固溶后，能够保留大量的亚稳β相，亚稳β相在水冷后时效比空冷时效分解后得到的次生α相更加的细小弥散，α相的含量也相对较高。当时效温度达到590℃时，固溶后空冷析出的α相排列更加均匀，而水冷后α相排列变得不规则，使得空冷后合金的屈服强度比水冷时效后合金的屈服强度提高了180MPa，抗拉强度提高了202MPa。
图6为不同固溶冷却方式对TB8钛合金塑性的影响。由图可见，TB8钛合金在不同固溶冷却方式+时效处理制度下塑性的变化。当时效温度在530℃和570℃时，空冷方式下合金的塑性比水冷方式下合金的塑性分别提高了0.8%和2.2%。而当时效温度在550℃和590℃时，空冷方式下合金的塑性比水冷方式下合金的塑性分别降低了0.9%和0.7%。
综合比较后可知：固溶后采用水冷时效的合金可以获得更高的强度和塑性匹配。在830℃WQ+530℃AC处理制度下合金的屈服强度最高，达到1087MPa，抗拉强度达到1153MPa，塑性为6.4%；合金的塑性变化与合金的强度呈现相反的关系。通过调整固溶后的冷却方式和时效温度，可以得到符合要求的TB8钛合金结构件。
3、结论
（1）TB8钛合金在β相区进行固溶处理后，获得的组织为单一的等轴β晶粒。
（2）TB8钛合金经固溶+时效后，其显微组织主要由α+β相组成。在时效过程中，α相在β相晶界以及晶粒内部同时析出，但从晶界位置析出的α相含量远高于晶体内部。随着时效温度的升高，析出的α相不断粗化长大，贯穿晶粒分布并彼此交织成网状。
（3）TB8钛合金的拉伸性能由固溶后冷却方式和时效处理温度决定。经固溶后水冷+时效，合金可以获得更高的强度和塑性匹配。无论是空冷还是水冷，随着时效温度的升高，合金的屈服强度呈现逐渐降低的趋势，而合金的塑性呈升高的趋势。采用830℃WQ+530℃AC处理后，合金可以获得良好的综合性能，此时，合金的屈服强度为1087MPa，抗拉强度为1153MPa，塑性为6.4%。
参考文献:
[1] Bania P J．Beta titanium alloys and their role in the titanium industry[J]．JOM ， 1994 ， 46(7) ： 16-19．
[2] Ivasishin O M ， Markovsky P E ， Matviychuk Y V ， et al．A comparative study of the mechanical properties of high-strength β-titanium alloys[J]．Journal of Alloys & Compounds ， 2008 ，457(1) ： 296-309．
[3] 商国强，朱知寿，常辉，等 ． 超高强钛合金研究进展 [J]． 稀有金属， 2011 ， 35(2) ： 286-291．
[4] 王庆娟，李强，孙亚玲 ． 热机械处理对 β 钛合金组织性能的影响 [J]． 金属热处理， 2018 ， 43(10) ： 127-132．
[5] 邓喆，张晓泳，李志友，等 ． 固溶 - 时效对 TC18 钛合金显微组织与性能的影响 [J]． 材料热处理学报， 2014 ， 35(8) ： 23-30．
[6] 张利军，田军强，白钰，等 ．TB8 超高强钛合金的热处理工艺[J]． 中国有色金属学报， 2010 ， 20(S1) ： 670-673．
[7] Boyer R R ， Rosenberg H W ， Duerig T W ， et al．Beta-titani-um alloys in the 80 ’ s[M]．Warrendale ： Metallurgical Society of AIME ， 1984 ： 19-69．
[8] 何丹，王庆娟，高颀，等 ． 新型 β 钛合金时效析出相的演变及硬化 [J]． 稀有金属， 2016 ， 40(7) ： 633-639．
[9] 武川，詹梅 ． 固溶 - 时效热处理工艺对近 β 钛合金显微组织演化与力学性能的影响 [J]． 中国有色金属学报， 2019 ， 29(5) ：997-1006．
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