亚稳β钛合金TB9(Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr)由美国RMI 公司于20 世纪60 年代研发，其钼当量为16，属于高强钛合金，通过适宜的固溶时效热处理制度可以获得较高室温抗拉强度，并且具有良好的剪切和抗疲劳性能的产品，这使得TB9 钛合金成为生产高强钛合金紧固件，替代高强钢材紧固件的理想材料，加工的弹簧、紧固件现已推广应用于航空航天、汽车发动机及石油化工等领域。
固溶时效热处理是亚稳β 钛合金强化的基本手段，也是决定金属材料性能和组织形貌的最后一道联合热处理工序，热处理温度、保温时间和冷却速度直接影响合金强化的效果。本文作者研究了不同固溶温度和时效温度对TB9 钛合金轧制棒材显微组织和室温力学性能的影响，以期了解TB9 钛合金室温力学性能对热处理温度的敏感程度，便于在实际应用中对棒材的组织和性能进行控制。
试验过程
试样制备
试验选用材料为3 次真空自耗电弧熔炼锭，相变温度为756℃，其化学成分如表1 所示。经开坯、锻造及轧制提供规格为φ50mm 的φ250mm 横列式轧机轧制用棒坯，采用890℃将φ50mm 的坯料经8 个道次轧制规格为φ19.5mm 的棒材，最后一火次轧制总变形量为85%。
表1 TB9 合金的化学成分(质量分数，%)
热处理工艺
将上述轧制棒坯经机加、矫直及磨削工序彻底清除加工缺陷及近表面α 污染层，截取试样进行不同制度的热处理，具体热处理制度详见表2。棒材热处理后机加为原始标距L0=4d0 的拉伸试样在INSTRON5581 型电子万能材料试验机上进行室温力学性能测试，在OLYMPUS GX71 型金相显微镜上观察显微组织。
表2 TB9 合金热处理制度
结果与分析
固溶处理对TB9 棒材显微组织及力学性能的影响
由图1 可以看出，TB9 钛合金棒材经715℃固溶处理后，轧态被破碎后晶界扭曲的原始β 晶粒进行了回复和再结晶转变，平均晶粒大小为30μm，比较细小，但由于固溶温度偏低，保温时间较短，导致显微组织中仍有大量存在晶格畸变的晶粒没有完全再结晶，此外，原始β 晶界和晶内中均存在不均匀析出的α 相；经815℃高温固溶处理的原始β 晶粒完成了再结晶转变，轧态变形组织完全消失，但由于固溶温度愈高，晶粒界面迁移速度愈大，因而晶粒长大速度也越快，最终导致高温固溶后的β 晶粒尺寸增长到45μm。
图1 TB9 合金棒材固溶处理组织形貌
由表3 可以看出，经715℃固溶处理的TB9 钛合金棒材室温强度均高于815℃高温热处理的性能指标，而塑性相对偏低，这是由于715℃固溶后的晶粒中仍存在没有释放完全的畸变能，棒材存在一定的加工硬化现象，此外，细晶金属由于存在更多的晶界，不利于裂纹的扩展，相比晶粒粗大的材料有更高的强度。
表3 TB9 合金棒材固溶处理后的室温力学性能
固溶+时效处理对TB9 棒材显微组织的影响
图2 为不同固溶+时效温度下TB9 钛合金棒材组织形貌，可以看出，715℃固溶+时效处理后的显微组织相比815℃固溶+时效处理后的显微组织更加均匀，高温固溶+时效后的显微组织中存在大量的无α 相析出区，并且随着时效温度的升高，无α 相析出区占比逐渐减少，经560℃时效后显微组织中的无α 相析出区消失。这是由于低温固溶处理后材料内部保留着更多的晶格畸变能，位错等变形缺陷回复再结晶不完全，形核位置较多，而且存储的畸变能提供了更大的形核驱动力，所以时效处理后形成了更多α 析出相，使显微组织更加均匀。此外，随着时效温度逐渐升高，由于高温时效可以提供更高的回复再结晶能量，促使α 相进一步形核、析出，使无α 相析出区占比逐渐较少、消失。
图2 TB9 合金棒材固溶+时效处理组织形貌
固溶温度对时效处理后TB9 棒材拉伸性能的影响
对加工后的TB9 钛合金棒材经多组固溶+时效热处理后的室温力学性能进行测试，并对不同固溶温度、相同时效制度的性能进行比较。
从表4 的性能检测结果来看，在相同固溶热处理温度下，随着时效温度升高，其TB9 钛合金棒材的室温抗拉强度逐渐降低，塑性指标逐渐提高，经715 ℃×30min，AC+500 ℃×8h，AC 热处理后的材料其固溶时效强化效果最显著，抗拉强度达到1480MPa，并且具有较高的材料塑性。不同固溶温度时效处理TB9 合金棒材，当时效热处理温度在540℃以下时，TB9 钛合金棒材经715℃固溶处理后的室温抗拉强度及断面收缩率均高于经815℃固溶处理后的性能指标，并且时效温度越低趋势越显著，而当时效热处理温度为560℃时，经815℃固溶处理后的强度指标更优，塑性指标变低。
表4 TB9 合金棒材固溶+时效处理后室温力学性能
结论
⑴相比高温固溶热处理，TB9 钛合金棒材经715℃固溶处理后，具有更加细小的组织形貌，并且综合室温拉伸性能更优异。
⑵715℃固溶+时效处理后的显微组织更加均匀，并且不存在大量的无α 相析出区，此外，815℃高温固溶+时效处理后产生的无α 相析出区面积的大小与再结晶进行的程度、固溶温度和时效温度相关联。
⑶经715℃×30min，AC+500℃×8h，AC 热处理后的材料其固溶时效强化效果最显著，抗拉强度达到1480MPa，并且具有较高的材料塑性。
