一種新型β鈦合金不同固溶冷卻條件下初生α相演變行為研究

周 偉，葛 鵬，趙永慶，2，辛社偉，李 倩，陳 軍，張思遠(yuǎn)，黃朝文，2

(1.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)(2.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072)

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一種新型β鈦合金不同固溶冷卻條件下初生α相演變行為研究

周 偉1，葛 鵬1，趙永慶1，2，辛社偉1，李 倩1，陳 軍1，張思遠(yuǎn)1，黃朝文1，2

(1.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)(2.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072)

對西北有色金屬研究院研制的新型 Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe系β鈦合金在α+β相區(qū)固溶，經(jīng)不同條件冷卻后初生α相的演變行為進(jìn)行研究。結(jié)果表明：當(dāng)冷卻速率為0.05 ℃/min時(shí)，初生α相為近球形，呈現(xiàn)球狀生長的特征，且晶粒尺寸隨著冷卻時(shí)間的延長沒有明顯增加；當(dāng)冷卻速率為0.005 ℃/min時(shí)，部分初生α相端面出現(xiàn)“叉型”結(jié)構(gòu)定向生長，呈現(xiàn)片層結(jié)構(gòu)特征，α相平均等效直徑隨冷卻時(shí)間的延長連續(xù)增大，形狀因子越來越偏離最初的0.9，不均勻生長越來越加劇。

β鈦合金；熱處理；初生α相；演變

0 引 言

鈦合金由于具有比強(qiáng)度高、抗裂紋擴(kuò)展和抗疲勞性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，成為性能優(yōu)異的航空結(jié)構(gòu)材料[1-3]。與α+β型鈦合金相比，β型鈦合金強(qiáng)化熱處理后具有更高的強(qiáng)度及良好的強(qiáng)-韌性匹配，因此，β型鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，更高強(qiáng)度的β鈦合金開發(fā)和研究也越來越受到世界各國的重視[4-6]。

西北有色金屬研究院從合金電子理論[7]出發(fā)，利用合金元素價(jià)電子結(jié)構(gòu)參數(shù)來預(yù)測元素的強(qiáng)韌化效應(yīng)，成功研制出一種具有強(qiáng)度、塑性、韌性良好匹配的新型 Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe系高強(qiáng)β鈦合金。該合金熱處理后可以獲得1 400 MPa以上的超高強(qiáng)度，可用做大型飛機(jī)的關(guān)鍵承力件。

眾所周知，β鈦合金的組織對熱處理?xiàng)l件很敏感，性能主要取決于其組織。如何優(yōu)化顯微組織使合金獲得最優(yōu)性能匹配是人們一直在研究的問題。β→α轉(zhuǎn)變是鈦合金中最基本的一種相變[8]，β鈦合金熱處理后的性能主要取決于從β相中析出的α相的形態(tài)與分布。固溶處理后初生α相的形貌決定了合金的塑性，時(shí)效處理中殘余β相轉(zhuǎn)變生成的次生α相尺寸決定了合金的強(qiáng)度[9]。因此，研究顯微組織變化規(guī)律對合理制定熱處理制度具有重要的指導(dǎo)意義。本實(shí)驗(yàn)研究了新型Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe系鈦合金在α+β相區(qū)固溶，并采用不同條件冷卻后初生α相的形貌演變特征，旨在為制定合適的熱處理工藝參數(shù)提供參考依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為經(jīng)α+β兩相區(qū)鍛造得到的新型Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe系β鈦合金棒材。采用金相法測得合金α-β轉(zhuǎn)變溫度為(880±5)℃。

沿棒材的軸向切取原始組織觀察及熱處理的試樣。固溶處理的制度為：870 ℃×1 h/WQ。初生α相的演變行為研究試驗(yàn)如下：

(1)將試樣加熱至870 ℃，保溫1 h，然后分別以0.05、0.005 ℃/min的速率爐冷至850 ℃，之后水冷;

(2)將試樣加熱至870 ℃，保溫1 h，然后分別以0.05、0.005 ℃/min的速率連續(xù)爐冷2、4、6、8、10 h，之后水冷。

熱處理在可調(diào)節(jié)箱式電阻爐內(nèi)進(jìn)行。熱處理后試樣經(jīng)過磨光和拋光處理，在Kross’腐蝕液[10]中腐蝕。在OLYMPUS PMG3金相顯微鏡上觀察棒材橫截面的金相組織，利用金相圖像分析技術(shù)測量初生α相晶粒面積A、周長L。采用平均等效直徑D(D=2(A/π)1/2)和形狀因子Q(Q=4πA/L2)來描述初生α相的球化和細(xì)化程度[11]。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同冷卻速率下初生α相的演變行為

圖1a為棒材的鍛造態(tài)組織。其中暗灰色區(qū)域?yàn)闅堄唳罗D(zhuǎn)變組織，細(xì)小彌散分布的白色球狀組織為初生α相。圖1b為棒材在870 ℃保溫1 h、水冷的顯微組織。主要由細(xì)小初生α相及β基體組成。

圖1 新型Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe系β鈦合金鍛態(tài)及固溶態(tài)的金相照片F(xiàn)ig.1 Metallographs of new Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe β titanium alloy in forged and solution states

圖2 不同冷卻速率下新型Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe系β鈦合金的金相照片F(xiàn)ig.2 Metallographs of new Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe β titanium alloy with different cooling rates

新型Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe系β鈦合金在870 ℃保溫1 h，再分別以0.05、0.005 ℃/min的速率冷卻至 850 ℃后水冷，其金相照片示于圖2。

從圖2可以看出，從870 ℃冷卻至850 ℃的過程中，等軸狀初生α相優(yōu)先長大，形貌隨冷卻速率的不同而出現(xiàn)明顯的差別。當(dāng)冷卻速率為0.05 ℃/min時(shí)，初生α相為近球形，呈現(xiàn)球狀生長的特征；當(dāng)冷卻速率為0.005 ℃/min時(shí)，部分初生α相保持近球狀生長，而另有部分α相近球狀生長的穩(wěn)定性條件被破壞，α相端面出現(xiàn) “叉型”結(jié)構(gòu)定向生長，最終呈現(xiàn)片狀結(jié)構(gòu)特征。

當(dāng)冷卻速率較高時(shí)，合金元素來不及擴(kuò)散，α相晶粒內(nèi)元素濃度的宏觀均勻性將抑制端部生長速率和非穩(wěn)態(tài)萌生，這時(shí)整個(gè)α相晶粒界面各處條件近似相同，因而向近似球狀生長。當(dāng)冷卻較緩慢時(shí)，根據(jù)生長界面動(dòng)力學(xué)效應(yīng)[12]，晶體傾向于向界面能低的晶面發(fā)展，由于各個(gè)晶面長大速度的不同導(dǎo)致晶體生長失穩(wěn)，從近球狀演變?yōu)槠瑺罱Y(jié)構(gòu)。

2.2 不同冷卻時(shí)間下初生α相的演變行為

新型Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe系β鈦合金在870 ℃保溫1 h，再分別以0.05 ℃/min和0.005 ℃/min的速率連續(xù)冷卻2、6 h后水冷，其金相照片示于圖3。

圖3 不同冷卻速率、不同冷卻時(shí)間下新型Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe系β鈦合金的金相照片F(xiàn)ig.3 Metallographs of new Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe β titanium alloy with different cooling rates and cooling time

由圖3可見，當(dāng)冷卻速率較高時(shí)(0.05 ℃/min)，隨著冷卻時(shí)間的延長，等軸狀初生α相的尺寸沒有明顯增加；這是因?yàn)槌跎料嗟拈L大是通過元素?cái)U(kuò)散來實(shí)現(xiàn)的[13]，隨著冷卻時(shí)間的延長，溫度降低，原子擴(kuò)散困難，初生α相的長大也比較困難。相比之下，當(dāng)冷卻速率較低時(shí)(0.005 ℃/min)，增加冷卻時(shí)間，初生α相明顯長大。如冷卻時(shí)間為6 h時(shí)的片層結(jié)構(gòu)的初生α相尺寸，明顯大于冷卻2 h的，見圖3c、3d。

圖4 新型Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe系β鈦合金在不同的冷卻速率下初生α相形狀因子和平均等效直徑與冷卻時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between cooling time, shape factor and the equivalent diameter of primary α phase in new Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe β titanium alloy with different cooling rates

圖4是新型Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe系β鈦合金在不同冷卻速率下，初生α相形狀因子和平均等效直徑與冷卻時(shí)間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，合金固溶后以較高的速率冷卻時(shí)，初生α相的平均等效直徑變化不大，冷卻2、4 h的小于3 μm，冷卻6、8、10 h等于或略大于3 μm。且形狀因子也變化不大，均在0.9上下浮動(dòng)，表明初生α相細(xì)小且球化程度較好。降低冷卻速率可明顯改變初生α相的形貌，初生α相隨著冷卻時(shí)間的延長由均勻分布的細(xì)小近球狀，演變成片狀結(jié)構(gòu)。由圖4低冷卻速率下的關(guān)系曲線可以看出，隨著冷卻時(shí)間的延長，初生α相的平均等效直徑連續(xù)增大，在冷卻10 h時(shí)達(dá)到11 μm。形狀因子越來越偏離最初的0.9，表明α相球化效果越來越差，“叉型”定向生長的趨勢越來越明顯，不均勻生長越來越加劇。

3 結(jié) 論

(1)新型Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe系高強(qiáng)β鈦合金在α+β相區(qū)保溫1 h后采用較高速率冷卻時(shí)(0.05 ℃/min)，初生α相為近球形，呈現(xiàn)小平面球狀生長的特征。當(dāng)冷卻速率為0.005 ℃/min時(shí)，部分初生α相保持近球狀生長，而另有部分α相球狀生長的穩(wěn)定性條件被破壞，α相端面出現(xiàn)“叉型”結(jié)構(gòu)定向生長，最終呈現(xiàn)片層結(jié)構(gòu)特征。

(2)當(dāng)冷卻速率較高時(shí)(0.05 ℃/min)，初生α相球化程度較好，尺寸隨著冷卻時(shí)間的延長沒有明顯增加；當(dāng)冷卻速率較低時(shí)(0.005 ℃/min)，初生α相隨著冷卻時(shí)間的延長由均勻分布的細(xì)小近球狀演變?yōu)槠瑢咏Y(jié)構(gòu)，初生α相平均等效直徑隨冷卻時(shí)間的延長連續(xù)增大，形狀因子越來越偏離最初的0.9，不均勻生長越來越加劇。

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Study of Primary α Phase Transformation in a New Beta Titanium Alloy with Different Cooling Conditions

Zhou Wei1,Ge Peng1,Zhao Yongqing1,2, Xin Shewei1,Li Qian1, Chen Jun1, Zhang Siyuan1,Huang Chaowen1,2

(1.Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi’an 710016, China)(2.Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072, China)

The primaryαphase transformation of Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe titanium alloy during different cooling processes within theα+βtwo-phase region was investigated. This newβtitanium alloy was developed by Northwest Institute for Nonferrous Metal Research. The results show that the growth character of primaryαphase is globular and the size growth of globular crystals with the cooling time expand is not large when the cooling rate is 0.05 ℃/min. But the growth character of primaryαphase is fork type structure and the equivalent diameter with the cooling time expand is large, the shape factor is more deviated from 0.9 and the uneven growth is more intensified when the cooling rate is 0.005 ℃/min.

βtitanium alloy; heat treatment;primaryαphase;transformation

2016-02-24

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51471136)；國家國際科技合作項(xiàng)目(2015DFA51430)

周偉(1978—)，女，教授級高工。

TG146.2+3

A

1009-9964(2016)04-0022-04