熱處理對(duì)Ti2AlNb合金顯微組織及力學(xué)性能的影響

王 偉，曾衛(wèi)東，冮 悅，李 冬，鄭友平，梁曉波

(1.西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072) (2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000) (3.鋼鐵研究總院，北京 100081)

熱處理對(duì)Ti2AlNb合金顯微組織及力學(xué)性能的影響

王 偉1，曾衛(wèi)東1，冮 悅2，李 冬1，鄭友平1，梁曉波3

(1.西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072) (2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000) (3.鋼鐵研究總院，北京 100081)

B2相區(qū)等溫鍛造的Ti-22Al-25Nb合金棒材940 ℃固溶后，在760～840 ℃時(shí)效處理，對(duì)其顯微組織、拉伸及蠕變性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明：不同溫度時(shí)效處理的顯微組織均由初生粗板條狀O相、二次析出的細(xì)板條狀O相和B2基體組成，其中二次析出的O相可以通過時(shí)效溫度來調(diào)節(jié)。隨著時(shí)效溫度的升高，Ti2AlNb合金的室溫及650 ℃高溫拉伸強(qiáng)度降低而塑性提高；較低的時(shí)效溫度(760 ℃)處理可以獲得更好的抗蠕變性能。

Ti2AlNb基合金；熱處理；組織演變；拉伸；蠕變

0 引 言

Ti2AlNb合金是以航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)為主要應(yīng)用目標(biāo)的一類新型金屬間化合物基輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料。近十幾年來國(guó)內(nèi)一些材料研究單位在該合金的研究開發(fā)方面已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。其中鋼鐵研究總院研制的成分為Ti-22Al-25Nb(原子分?jǐn)?shù))的Ti2AlNb合金，既保持了密度低、高溫強(qiáng)度與蠕變抗力高、抗氧化和阻燃性能好、熱膨脹系數(shù)低及無磁性等特點(diǎn)，又表現(xiàn)出優(yōu)于其他同類合金的塑性、韌性及加工成形性能[1-2]。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)Ti2AlNb合金在熱機(jī)械加工工藝、顯微組織及力學(xué)性能方面展開了大量的研究工作[3-5]。研究表明：Ti2AlNb合金的力學(xué)性能取決于合金的顯微組織，然而相平衡以及顯微組織演變是非常復(fù)雜的。在不同的熱加工工藝下，Ti2AlNb合金具有單相、兩相或三相組織，另外這些相的尺寸、體積分?jǐn)?shù)以及形態(tài)對(duì)力學(xué)性能也會(huì)有較大的影響。因此，迫切需要進(jìn)一步探究合金的顯微組織與力學(xué)性能之間的關(guān)系。為此，本研究以名義成分為Ti-22Al-25Nb的合金為研究對(duì)象，研究熱處理工藝對(duì)其顯微組織和力學(xué)性能的影響，以期獲得能夠適應(yīng)工程應(yīng)用的綜合性能優(yōu)良的Ti2AlNb合金。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用的Ti2AlNb合金鍛棒由鋼鐵研究總院提供，化學(xué)成分見表1。將棒材在B2相區(qū)等溫鍛造。等溫鍛造后的棒材在940 ℃固溶處理，保溫1.5 h后水冷，隨后分別在760、800、840 ℃下時(shí)效處理，保溫12 h后空冷，對(duì)Ti2AlNb合金棒材的顯微組織、室高溫拉伸性能及蠕變性能進(jìn)行檢測(cè)。

表1 Ti2AlNb合金棒材的化學(xué)成分(x/%)Table 1 Chemical composition of Ti2AlNb alloy bar

室溫及650 ℃高溫拉伸性能測(cè)試采用M12×5 mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，每組3個(gè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值。拉伸性能測(cè)試設(shè)備為Instron 1196拉伸試驗(yàn)機(jī)。蠕變?cè)囼?yàn)在RD2蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)參數(shù)為650 ℃/150 MPa/100 h。用附帶背散射(BSD)的掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行微觀組織分析。采用X射線衍射技術(shù)分析等溫鍛造后Ti2AlNb合金棒材的物相結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 B2相區(qū)等溫鍛后合金的顯微組織

圖1為Ti2AlNb合金棒材的原始組織以及B2相區(qū)等溫鍛造后的顯微組織照片，圖2為B2相區(qū)等溫鍛造后Ti2AlNb合金棒材的XRD圖譜。

圖1 Ti2AlNb合金棒材的原始組織以及B2相區(qū)等溫鍛造后的顯微組織Fig.1 Microstructures of as-forged state and isothermally forged state at B2 phase region

圖2 B2相區(qū)等溫鍛造后Ti2AlNb合金棒材的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of Ti2AlNb alloy bar isothermally forged at B2 phase region

從圖1可以看出，棒材的顯微組織主要由等軸α2相、細(xì)板條狀的O相以及B2基體組成，等軸α2相不均勻地分布在B2基體中。等溫鍛造后，合金主要由板條狀的O相、B2基體以及極少的片層狀α2相組成。在XRD圖譜中(圖2)α2相的衍射峰非常微弱，以至于很難發(fā)現(xiàn)α2相的存在。α2相和板條狀O相都是在等溫鍛造后緩慢空冷時(shí)形成的。與原始棒材組織相比，更多板條狀O相從B2基體中析出，且等軸α2顆粒轉(zhuǎn)化為O相和B2基體。在B2相區(qū)加熱過程中，等軸α2顆粒逐漸減少，直至完全消失。因此，B2相區(qū)等溫鍛造后，合金的B2相晶粒尺寸明顯增大，大約為320 μm。

2.2 熱處理對(duì)合金顯微組織的影響

圖3為Ti2AlNb合金棒材940 ℃固溶處理后經(jīng)不同溫度時(shí)效后的顯微組織。顯微組織中主要包括固溶處理過程中形成的粗板條狀O相以及時(shí)效處理中析出的細(xì)板條狀O相和B2基體。二次析出的細(xì)板條狀O相的尺寸和體積分?jǐn)?shù)取決于時(shí)效溫度，最大尺寸的細(xì)板條狀O相在840 ℃時(shí)效時(shí)產(chǎn)生，最小的細(xì)板條狀O相在760 ℃時(shí)效時(shí)產(chǎn)生。隨著時(shí)效溫度升高，細(xì)板條狀O相的體積分?jǐn)?shù)減少，而初生粗板條狀O相隨時(shí)效溫度的改變變化不大。從圖中還可以看到，在低溫時(shí)效處理時(shí)(760 ℃)有較多的非常細(xì)的α2相存在，當(dāng)時(shí)效溫度提高到800～840 ℃時(shí)，細(xì)板條α2相的數(shù)量非常少，并且寬度變大。

圖3 不同溫度時(shí)效后Ti2AlNb合金棒材的顯微組織Fig.3 Microstructures of Ti2AlNb alloy bars aging at different temperatures

2.3 熱處理對(duì)合金拉伸性能的影響

圖4為Ti2AlNb合金棒材經(jīng)不同溫度時(shí)效后的室溫力學(xué)性能。

圖4 時(shí)效溫度對(duì)Ti2AlNb合金室溫拉伸性能的影響Fig.4 Effect of aging temperature on tensile properties of Ti2AlNb alloy at room temperature

室溫下，三種熱處理制度的極限抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別為：HT-760(760 ℃時(shí)效)，1 187 MPa、1 071 MPa和9%；HT-800(800 ℃時(shí)效)，1 174 MPa、1 059 MPa和11.3%；HT-840(840 ℃時(shí)效)，1 123 MPa、1 014 MPa和12.5%。從圖中可以看出，隨著時(shí)效溫度的升高，合金強(qiáng)度降低，塑性升高。影響強(qiáng)度的因素有以下幾點(diǎn)：①B2相的晶粒尺寸；②熱處理過程中相的強(qiáng)度；③α2、O和B2相的體積分?jǐn)?shù)；④O相板條尺寸；⑤位錯(cuò)結(jié)構(gòu)[4]。由于試樣的等溫鍛造和固溶溫度相同，時(shí)效溫度不同，而時(shí)效溫度對(duì)合金的影響主要表現(xiàn)在二次析出的O相的體積分?jǐn)?shù)及寬度不同。板條狀O相的寬度是影響Ti2AlNb基合金性能的關(guān)鍵顯微組織參數(shù)之一，根據(jù)經(jīng)典的Hall-Petch理論，板條狀O相的寬度與合金的強(qiáng)度之間符合Hall-Petch關(guān)系，即板條狀O相的寬度越小，合金的強(qiáng)度就越高。因此，隨著時(shí)效溫度的升高，合金強(qiáng)度降低。

圖5為不同溫度時(shí)效處理后Ti2AlNb合金棒材的室溫拉伸斷口形貌。從斷口的宏觀形貌可以看出，合金的斷裂主要以解理斷裂和小平面狀的斷裂為主，表現(xiàn)出金屬脆性斷裂的特征。從顯微組織上看，合金的斷裂主要表現(xiàn)為B2相的韌性斷裂和O相的小平面狀脆性斷裂。對(duì)于HT-840來說，由于組織中B2相的體積分?jǐn)?shù)多于HT-760，因此斷口特征表現(xiàn)為韌窩數(shù)量較多，具有較好的塑性。

圖5 不同溫度時(shí)效處理后Ti2AlNb合金棒材的室溫?cái)嗫谛蚊睩ig.5 Room-temperature fracture morphologies of Ti2AlNb alloy bars aging at different temperatures

圖6為Ti2AlNb合金棒材經(jīng)不同溫度時(shí)效后的650 ℃高溫拉伸性能。

圖6 時(shí)效處理溫度對(duì)Ti2AlNb合金高溫拉伸性能的影響Fig.6 Effect of aging temperature on tensile properties of Ti2AlNb alloy at 650 ℃

HT-760的高溫拉伸強(qiáng)度(Rp0.2=845 MPa，Rm=937 MPa)優(yōu)于HT-840(Rp0.2=780 MPa，Rm=880 MPa)。隨著時(shí)效溫度的升高，合金強(qiáng)度逐漸減小。760 ℃時(shí)效后其高溫拉伸性能較高的原因在于低溫時(shí)效時(shí)產(chǎn)生了較多二次O相，減少了B2相的體積分?jǐn)?shù)，O相的析出強(qiáng)化作用得以表現(xiàn)出來。從斷口形貌上看(圖7)，不同時(shí)效溫度處理后Ti2AlNb合金棒材斷口的微觀形貌都呈現(xiàn)撕裂棱、韌窩等特征，只是大小、深淺有所不同。韌窩的深淺及大小可以反映出合金塑性的好壞，合金塑性較差則斷口上形成的韌窩尺寸較小也較淺，反之則韌窩較大較深。840 ℃時(shí)效處理后合金的斷口韌窩更深，尺寸更大，表明此溫度處理后合金的塑性較好。

圖7 Ti2AlNb合金棒材的高溫拉伸斷口形貌Fig.7 High-temperature fracture morphologies of Ti2AlNb alloy bars

2.4 熱處理對(duì)合金蠕變性能的影響

圖8是不同溫度時(shí)效后的Ti2AlNb合金棒材在150 MPa/650 ℃/100 h的蠕變曲線。從圖中可以看出，HT-760具有較好的抗蠕變性，這主要與合金的顯微組織有關(guān)。三種組織中，α2相的含量非常少，約小于2%，因此可以忽略α2相對(duì)合金蠕變性能的影響。合金的蠕變性能主要由板條狀的O相和B2相共同作用，B2相的提高對(duì)合金的蠕變性能不利，而板條O相的提高有益于蠕變性能的提高。不同時(shí)效溫度處理后的三種組織中，HT-840的B2相體積分?jǐn)?shù)明顯要高于HT-760，同時(shí)二次析出的O相也急劇減少。因此HT-760具有最好的抗蠕變性能。

圖8 時(shí)效溫度對(duì)Ti2AlNb合金棒材蠕變性能的影響Fig.8 Effect of aging temperature on creep properties of Ti2AlNb alloy bars at 150 MPa/650 ℃/100 h

3 結(jié) 論

(1)Ti2AlNb合金的二次析出O相可以通過時(shí)效溫度改變，時(shí)效溫度升高，其尺寸變粗變短并且體積分?jǐn)?shù)減小。

(2)二次析出O相對(duì)合金的室溫及650 ℃高溫拉伸具有較大的影響，時(shí)效溫度升高合金的強(qiáng)度降低、塑性提高。

(3)Ti2AlNb合金的蠕變性能也與二次析出O相有關(guān)，HT-760和HT-840相比具有更好的抗蠕變性，原因在于HT-840的B2相體積分?jǐn)?shù)多，而二次O相數(shù)量較少，因此抗蠕變性較差。

[1] 李世瓊，張建偉，程云君，等.Ti3Al和Ti2AlNb基金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料研發(fā)現(xiàn)狀[J].稀有金屬材料與工程,2005,34(增刊3)：104-109.

[2] 張建偉，李世瓊，梁曉波，等.Ti3Al和Ti2AlNb基合金的研究與應(yīng)用[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2010,20(增刊3)：336-341.

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Effect of Heat Treatment on Microstruture and Mechanical Properties of Ti2AlNb Alloy

Wang Wei1, Zeng Weidong1, Gang Yue2, Li Dong1, Zheng Youping1, Liang Xiaobo3

Ti-22Al-25Nb(at.%) alloy bars were isothermally forged at B2 phase region and solution treated at 940 ℃, then aging treated at 760 ℃ to 840 ℃. Then the microstructure evolution and mechanical properties of the bars were studied. The results indicate that the microstructures at different aging temperatures contain primary lamellar O phase, secondary fine lamellar O phase and B2 matrix. The size and volume fraction of secondary fine lamellar O phase can be adjusted through aging treatment. The mechanical properties show that as aging temperature increasing, the strength including room-temperature and 650 ℃ high-temperature tensile strength decrease, while the ductility increases. The lower aging-temperature (760 ℃) has better creep resistance.

Ti2AlNb based alloy; heat treatment; microstructure evolution; tensile;creep

2014-12-10

國(guó)家973計(jì)劃資助項(xiàng)目(2007CB613807)；教育部

曾衛(wèi)東(1969—)，男，教授，博士生導(dǎo)師。

(1.State Key Laboratory of Solidification Processing，Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)(2.Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China)(3.Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081, China)

“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”項(xiàng)目(NCET-07-0696)