热处理工艺对BT3-1钛合金棒材组织性能的影响

韩伟松，李永林，沈立华，黄旭刚，李建锋，李守平，李小飞

（1.宁夏中色金航钛业有限公司，宁夏 石嘴山 753000；2.西北稀有金属材料研究院宁夏有限公司稀有金属特种材料国家重点实验室，宁夏 石嘴山 753000）

钛及钛合金因具有高比强度、耐腐蚀、易焊接和良好的抗裂纹扩展能力等[1]。BT3-1是苏联研制的是一种高强马氏体α+β双相钛合金，其名义成分为Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si。主要应用于安东诺夫大飞机的发动机上，是应用成熟的热强性钛合金，同时该合金室温强度较高且加工性能优良[2]。与Ti-64相比，BT3-1钛合金利用钼、铁元素代替较高成本的钒元素作为β稳定元素，使其强度与TC4相当的情况下，伸长率略高。BT3-1作为一种可热处理强化的双相钛合金，不同的热处理产生不同的组织结构，也就决定了最终成品棒材的力学性能和工艺性能。因客户对不同使用工况的棒材产品提出了不同的性能指标，因此需要针对客户的不同要求确定最适宜的热处理制度，才能确保BT3-1棒材的性能满足客户要求。因此，本文研究了BT3-1钛合金棒材的不同热处理制度对显微组织、力学性能的影响，探索不同热处理制度对合金组织结构的影响机理，从而指导生产，确定出适用于不同工况需求的最佳热处理制度。

1 室验材料及工艺

（1）材料准备。实验所用的主要原辅材料有海绵钛和中间合金，中间合金采用铝钼二元合金，高纯铝豆，纯铁钉，二氧化二钛和金属铬粉。原辅材料经混布料系统混均后，在6000t油压机上压制成块状电极，块状电极经过组焊后制备成自耗电极，最后经过ALD 3t真空自耗电弧炉内三次熔炼后制备得到Φ600mm的BT3-1钛合金铸锭。铸锭经过相变点以上开坯β锻造和两相区锻造共计6火次的锻造后，再经过径锻后得到φ46mm的BT3-1钛合金棒材。

（2）试验方法。在BT3-1钛合金φ46mm成品棒材上切取120mm长的试棒作为力性试样，切取20mm长的试棒作为显微组织试样，经4种不同热处理后完成热处理试验内容。试验内容主要是测试不同热处理制度下的显微组织、室温拉伸性能。本实验热处理设备采用具有2级精度的箱式电阻炉，温度误差在±5℃之内，采用Leica MM-6金相显微镜观察材料的显微组织，采用INSTRON 4505万能试验机测定拉伸性能。4种不同的热处理实验方案见表1。

表1 热处理实验方案

2 试验结果及分析

2.1 不同热处理制度下BT3-1棒材显微组织的变化

由图1可明显发现，经过4种不同热处理后BT3-1钛合金棒材的显微组织均为等轴组织，主要由初生α相+β转变组织构成，由于4种热处理的加热制度、保温时间、冷却方式不同，从图中可以观察到等轴组织的形态、初生α相和β相的含量、尺寸等具有较大的差异。如图1（a）所示，BT3-1钛合金棒材经过850℃/1h空冷后，初生α相大多数发生了较大的扭曲和拉长，只有少部分保持了等轴，同时在β转变组织中析出了一些细小的球状次生α相。BT3-1钛合金棒材在α+β两相区的上部经过930℃/1h空冷，550℃/4h空冷后初生α相数量明显减少，大约30%左右，大多呈现出等轴态，只有少部呈现长条状，β转变组织出现了大量的针状次生α相，具体如图1（b）所示。如图1（c）所示，BT3-1钛合金棒材经过870℃/1h炉冷，650℃/4h空冷后后初生α相数量显著增加，整个显微组织为等轴α+晶间β。BT3-1钛合金棒材在α+β两相区的下部经过850℃/1h水冷，550℃/4h空冷的固溶时效处理后，整个组织为片状初生α相和β转，在β转基体上析出了大量细小的针状次生α相，呈现出交叉排列的特征，具体如图1（d）所示。

通过对比4种不同热处理实验的显微组织，发现：BT3-1钛合金棒材经普通退火热处理后，其组织主要是扭曲变形的长条α相和少量的等轴α相+β转。在BT3-1合金两相区上部的930℃进行一，最终经双重退火后的显微组织表现为少量等轴的初生α相和大量的β相，以及析出的α针。双重退火相比较普通退火，初生α相的数量要少的多如图1（a）（b）。由于炉冷过程中冷却速度慢，在高温停留时间长，多型性转变进行的充分，所有的α相均变得粗大，由于α相倾向于在原α相界面生核、长大，显微组织均为等轴α相和少量的扭曲片状α，且初生α相数量很大，以致在显微组织上看不到转变了的β相形态，仅看到等轴初生α相之间的次生α相如图1（c）。水冷固溶时从高温固定下来的亚稳定β相数量较多，在随后的时效过程中亚稳定β相分解出少量细小的次生α相，分布在β晶粒内部[3，4]如图 1（d）。

2.2 不同热处理制度下BT3-1棒材力学性能的变化

由表2可以看出：BT3-1钛合金棒材分别经过以上4种不同热处理后，材料拉伸性能存在较大的差异，经普通退火后该材料的综合性能较好，且普通退火操作方便经济，所以推荐采用。经双重退火热处理后，该材料的抗拉强度和屈服强度提高了80MPa左右，但塑性基本保持不变。经等温退火热处理后该材料的强度最低而塑性最高，延伸率可以达到23.5%，但与双重退火相比较其抗拉强度和屈服强度约下降了120MPa和60MPa，所以对于塑性及冲击韧性要求较高的产品可以选择等温退火。经固溶时效热处理后该材料强度最高、而塑性最低，抗拉强度和屈服强度分别为1400MPa和1200MPa左右，但塑性最差为9%。

表2 不同热处理制度后的力学性能

影响棒材力学性能的主要因素有成分配比和组织形态，且对组织形态最敏感的指标是塑性，特别是断面收缩率，片状组织与等轴组织相比较，断面收缩率的下降可达到70%～80%，伸长率下降为40%～50%，而抗拉强度的变化不超过10%～20%[5]。普通退火和等温退火后的组织中等轴α体积百分比较大，增强了抗裂纹萌生的能力，而经过双重退火和固溶时效处理后的组织中片状组织体积百分比较大，提高了抵抗裂纹扩展的能力，从而提高材料的强度。双重退火和等温退火获得的材料塑性相差不大，但抗拉强度却相差9%左右，这主要是由于初生α相和细小的针状次生α相弥散分布，造成较高的抵抗裂纹扩展的能力。说明热处理温度和冷却方式对BT3-1钛合金材料的强度、塑性影响比较明显。

综上可以看出：BT3-1合金材料经850℃普通退火处理后可以保证材料强塑匹配好，且其操作简便；经过930℃保温1h后空冷然后550℃保温4h后空冷的双重退火热处理后可以得到好的强度和塑性综合性能；经过870℃保温1h炉冷至650℃保温4后空冷的等温热处理，材料塑性可达到23%；经固溶时效热处理后的材料可以保证较高强度。

3 结论

（1）经4种不同热处理温度和冷却方式的热处理后，BT3-1合金棒材的微观组织形态、各相的含量及尺寸发生了较大的变化，但其组织均为等轴组织，主要由初生α相+β相构成。

（2）BT3-1合金棒材采用普通退火后综合性能好，操作简便的特点；经过850℃/1h水冷+550℃/4h空冷固溶时效处理后材料的强度最高，抗拉强度和屈服强度分别达到了1400MPa和1200MPa；经过870℃/1h炉冷+650℃/4h空冷等温退火处理后材料的塑性最好，延伸率为23.5%。