硼對Ti-1023合金組織與性能的影響

孟 瑤，黃利軍，張明杰，張文強(qiáng)

(北京航空材料研究院，北京 100095)

?

硼對Ti-1023合金組織與性能的影響

孟 瑤，黃利軍，張明杰，張文強(qiáng)

(北京航空材料研究院，北京 100095)

采用真空自耗電弧爐熔煉添加硼元素的Ti-1023合金鑄錠，對其進(jìn)行一定的變形得到鍛造棒材。利用金相顯微鏡、電子探針、萬能材料試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備對其進(jìn)行宏觀、微觀組織及性能分析，研究硼元素對鑄態(tài)與鍛態(tài)Ti-1023合金組織與性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，硼元素作為一種高效的細(xì)化劑，能顯著細(xì)化Ti-1023合金的鑄態(tài)組織。硼化物傾向于以鏈狀析出，對合金進(jìn)行充分變形，能使硼化物充分破碎。微量的硼可以顯著提高鈦合金的強(qiáng)度，當(dāng)硼含量在0.1%～0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，Ti-1023合金的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度變化不大，但是塑性下降明顯。為了得到良好的強(qiáng)度-塑性匹配，最佳硼添加量不應(yīng)大于0.1%。

β鈦合金；Ti-1023；硼；組織與性能

0 引 言

鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在航空、船舶等領(lǐng)域的應(yīng)用逐步擴(kuò)大[1-2]。但鑄態(tài)鈦合金晶粒粗大，需要經(jīng)過較多火次的開坯與改鍛來破碎晶粒，成本較高。近年來，關(guān)于硼改性鈦合金的研究工作一直在進(jìn)行。Lieberman和Roy等人發(fā)現(xiàn)，鈦合金添加硼元素后生成了具有斜方結(jié)構(gòu)的TiB顆粒，宏觀形貌呈長條狀，與鈦的結(jié)晶學(xué)相容性良好，且熱膨脹系數(shù)與鈦相當(dāng)，可使界面殘余應(yīng)力最小[3-4]。硼化物顆粒的密度也與鈦相當(dāng)，但剛度是傳統(tǒng)鈦合金的3～4倍，彈性模量高達(dá)350～550 GPa，硬度比SiC高20%[5]，對基體有一定的強(qiáng)化作用。研究還發(fā)現(xiàn)，加入一定量的硼能顯著細(xì)化鑄態(tài)TC4鈦合金的晶粒，使晶粒尺寸從無硼時(shí)的1 700 μm降低到200 μm左右[6]。由于裂紋在晶粒較細(xì)的鈦合金組織中不易萌生(應(yīng)力集中小)，也不易傳播(晶界曲折多)，且在斷裂過程中能吸收更多的能量，所以使得材料的抗疲勞性能有一定的提升[7]。硼化物對鈦合金組織中的α相析出也有明顯的促進(jìn)作用。于洋[8]研究發(fā)現(xiàn)，在退火爐冷過程中，TiB相作為α相的附加形核位置，有助于不同取向的α相形核長大，獲得類似等軸或球化的α相組織，對鈦合金有較好的強(qiáng)化作用。

現(xiàn)有的硼元素對鈦合金組織與性能的研究大部分是針對TiAl合金、鑄態(tài)以及軋制態(tài)Ti-6Al-4V合金等，對于β型鈦合金的研究較少[9-11]。Ti-1023是一種近β型鈦合金，為制得性能良好的鍛件，需要經(jīng)過復(fù)雜的開坯、改鍛及熱處理工序來細(xì)化組織，獲得強(qiáng)度-塑性-韌性等匹配的綜合性能，成本較高[12]。在鈦合金中添加一定量的硼，生成的TiB相能釘軋晶界，細(xì)化鑄態(tài)組織，阻礙后續(xù)熱加工與熱處理過程中原始β晶粒的長大。這樣可以有效減小晶粒尺寸，減少鍛造火次，簡化開坯改鍛工藝，從而降低生產(chǎn)成本，具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。本研究以Ti-1023合金為對象，通過在合金熔煉原料中添加一定量的硼，對熔煉出來的鑄錠進(jìn)行適當(dāng)變形，研究硼元素對鑄態(tài)和鍛態(tài)Ti-1023合金組織與性能的影響，為硼元素在鈦合金中的應(yīng)用研究提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

硼與Ti主要生成TiB、Ti3B4、TiB2等3種鈦硼化物，其硼含量分別為18.4%、23.1%、31.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。當(dāng)硼含量在亞共晶范圍內(nèi)時(shí)，硼化物主要是TiB。隨著鈦合金中硼元素的增加，TiB逐漸增多，鈦合金脆性急劇增大，一般認(rèn)為添加0.1%的硼，會得到較好的綜合力學(xué)性能[8,13-14]。

本研究設(shè)計(jì)的硼元素添加量分別為0、0.05%、0.1%、0.2%。原料為0級海綿鈦、Al-V-Fe三元合金、硼粉，采用真空自耗電弧爐進(jìn)行3次熔煉，得到4種成分的Ti-1023合金鑄錠，化學(xué)成分如表1所示。對鑄錠取樣進(jìn)行低倍組織分析。采用金相法測得3種含硼鈦合金的相變點(diǎn)均在790±3 ℃，與Ti-1023合金相當(dāng)。

鑄錠在1 150 ℃進(jìn)行開坯、3火次鐓拔，在920 ℃進(jìn)行3火次鐓拔，隨后在兩相區(qū)進(jìn)行2火次鐓拔。每火次變形量均為40%～50%，最終獲得尺寸為φ106 mm×180 mm的棒材。對在兩相區(qū)1火次變形的棒材取樣，在JXA8100電子探針上進(jìn)行硼化物分析。在兩相區(qū)1火次變形后在780、800 ℃淬火的棒材及2火次變形后經(jīng)固溶+時(shí)效處理(765 ℃×2 h/WQ+515 ℃×8 h/AC)的棒材心部分別取金相試樣，采用LEICA-DMLM型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。依據(jù)GB/T 228.1—2010在經(jīng)過固溶+時(shí)效處理之后的棒材縱向取R7標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，利用5887-E2-G1型萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試。

表1 Ti-1023合金鑄錠的化學(xué)成分(w/%)

2 結(jié)果與討論

2.1 硼對鑄態(tài)Ti-1023合金組織的影響

圖1為不同硼含量的Ti-1023合金鑄錠的低倍組織照片。對鈦合金鑄錠心部晶粒平均尺寸進(jìn)行測量和統(tǒng)計(jì)，得到晶粒尺寸隨硼含量變化趨勢圖(圖2)。從圖中可以看出，硼元素對鑄態(tài)鈦合金組織有著明顯的細(xì)化效果。鑄態(tài)Ti-1023合金的晶粒尺寸通常很大[15]，不添加硼時(shí)，心部晶粒的平均尺寸約為2.1 mm左右，邊部晶粒尺寸甚至可達(dá)8～10 mm。當(dāng)硼含量為0.05%時(shí)，心部平均晶粒尺寸為2.2 mm，與無硼鈦合金晶粒尺寸相當(dāng)。當(dāng)硼含量為0.1%時(shí)，鈦合金晶粒尺寸減小。當(dāng)硼含量為0.2%時(shí)，心部平均晶粒尺寸為1 mm左右，相較無硼鑄態(tài)Ti-1023合金的晶粒尺寸縮小了53.4%。總體來看，硼含量非常少時(shí)，鑄錠晶粒尺寸基本沒有明顯減小，并且當(dāng)硼含量超過一定數(shù)值時(shí)，晶粒進(jìn)一步細(xì)化也不明顯，這符合很多研究中發(fā)現(xiàn)的“開關(guān)現(xiàn)象”[13]。

硼化物在鈦合金中的主要化學(xué)反應(yīng)式及生成路徑為：

Ti+B→TiB

液相→β相+共晶相TiB→α相+β相+共晶相TiB

關(guān)于硼元素細(xì)化鈦合金晶粒的機(jī)理主要有“促進(jìn)形核說”與“成分過冷說”。前者認(rèn)為TiB作為一種能在鈦中熱力學(xué)穩(wěn)定存在的粒子，能成為原始β相的形核質(zhì)點(diǎn)，由此增大形核率，從而細(xì)化晶粒。但是這種機(jī)理不能解釋試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的“開關(guān)現(xiàn)象”。后者認(rèn)為硼在液態(tài)Ti中能完全溶解，當(dāng)溫度逐漸降低時(shí)，液相中析出先共析β相與TiB，固相與液相之間的短距離內(nèi)會有硼元素的富集，造成成分過冷現(xiàn)象；這種固液界面是不穩(wěn)定的，從而促進(jìn)β相持續(xù)生成。現(xiàn)在越來越多的研究傾向于兩種學(xué)說的綜合，即在硼元素富集導(dǎo)致成分過冷，從而促進(jìn)β相生成的同時(shí)，液相中析出的TiB也能成為形核質(zhì)點(diǎn)來增加形核率，進(jìn)而細(xì)化鑄造鈦合金晶粒。

圖1 鑄態(tài)Ti-1023合金低倍照片F(xiàn)ig.1 Macrographs of the cast Ti-1023 alloy

圖2 Ti-1023合金晶粒尺寸隨硼含量變化圖Fig.2 Grain size of Ti-1023 alloy with boron as a function of boron contents

2.2 硼對鍛態(tài)Ti-1023合金組織與性能的影響

Ti-1023合金鑄錠經(jīng)開坯、β相區(qū)變形，并在兩相區(qū)經(jīng)過1火次變形的電子探針顯微照片如圖3所示。

從圖中可以看出，硼在鈦合金中生成了細(xì)長的硼化物，當(dāng)硼含量較低時(shí)，鈦合金中大部分的硼化物零星分布，但是也有一些呈鏈狀分布。硼含量逐漸增多，硼化物呈鏈狀分布。經(jīng)過一定的變形，硼化物發(fā)生破碎，圖4d中破碎的硼化物A的長度約18 μm，平均寬度約2.5 μm，對硼化物A和基體B進(jìn)行電子探針波普分析，結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，Ti/B原子比為43.18∶52.67，約等于1，可以確定該硼化物為TiB?；w中沒有發(fā)現(xiàn)硼元素，由此可以證明，在亞共晶含硼鈦合金中，硼化物基本以TiB形式出現(xiàn)。

表2 硼化物與基體的電子探針波普分析

圖4為Ti-1023合金鑄錠經(jīng)開坯、β相區(qū)變形，并在兩相區(qū)經(jīng)過1火次變形后，分別在780 ℃與800 ℃淬火后的顯微組織照片。

圖4 Ti-1023合金在兩相區(qū)1火次變形后的淬火組織照片F(xiàn)ig.4 Quench structures of Ti-1023 alloy forged one time in α+β phase region

從圖中可以看出，780 ℃淬火組織由經(jīng)過破碎的β相、TiB相以及少量析出的α相組成。800 ℃淬火后顯微組織由重新結(jié)晶的β相與TiB組成，當(dāng)硼含量為0.05%時(shí)，TiB以顆粒狀居多，當(dāng)硼含量為0.1%及以上時(shí)，TiB呈鏈狀析出。硼元素含量越高，TiB析出越多。經(jīng)過兩相區(qū)1火次變形，原先細(xì)長的硼化物被破碎，但是仍然沒有改變硼化物鏈狀的形態(tài)，沒有均勻分布在組織中，說明變形量可能不夠大。

Ti-1023合金鑄錠經(jīng)開坯、β相區(qū)變形，并在兩相區(qū)經(jīng)過2火次變形后，經(jīng)765 ℃×2 h/WQ固溶得到不穩(wěn)定β相，在515 ℃×8 h/AC時(shí)效過程中發(fā)生β→β+α轉(zhuǎn)變，微觀組織照片見圖5。

圖5 Ti-1023合金經(jīng)固溶與時(shí)效后的微觀組織照片F(xiàn)ig.5 Microstructures of Ti-1023 alloy after solution and aging treatment

從圖中可以看出，含硼鈦合金的微觀組織主要由彌散分布的α相與TiB相組成，TiB相與鈦合金基體之間界面清晰。經(jīng)過兩次相變點(diǎn)以下變形，原先細(xì)長的TiB晶須得到充分破碎。當(dāng)硼含量為0.05%時(shí)，TiB相主要以顆粒狀為主，均勻分布于鈦合金基體中，與α相一樣，對基體有較好的增強(qiáng)作用。當(dāng)硼含量為0.1%與0.2%時(shí)，生成的TiB較多，但是仍然為細(xì)小的針狀，長度一般不超過20 μm。

經(jīng)固溶+時(shí)效處理的Ti-1023合金棒材的力學(xué)性能如表3所示。從表3可以看出，由于TiB的增強(qiáng)作用，添加硼元素后，鈦合金的抗拉強(qiáng)度普遍超過了1 270 MPa。當(dāng)硼含量為0.05%時(shí)，強(qiáng)度提高最明顯。當(dāng)硼含量增加時(shí)，強(qiáng)度有小幅下降趨勢，當(dāng)硼含量為0.2%時(shí)，抗拉強(qiáng)度較硼含量為0.1%時(shí)下降了1 MPa，屈服強(qiáng)度增加了9 MPa，這說明硼含量在0.1%到0.2%之間時(shí)，抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度都變化不大。隨著硼含量的增加，鈦合金的塑性和韌性呈明顯下降的趨勢。這主要是因?yàn)門iB是脆性相，含量越多導(dǎo)致塑韌性越低。當(dāng)硼含量為0.2%時(shí)，Ti-1023合金棒材的伸長率已經(jīng)低于β鈦合金的最低使用要求了[16]。由此可知，對于Ti-1023合金，硼含量為0.1%以內(nèi)時(shí)，可以獲得較好的強(qiáng)度-塑性匹配。

表3 熱處理后鍛態(tài)Ti-1023合金的力學(xué)性能

3 結(jié) 論

(1)硼元素作為一種高效的細(xì)化劑，能顯著細(xì)化Ti-1023鑄造鈦合金組織。

(2)在亞共晶鈦合金中，硼化物主要為TiB，傾向于以鏈狀析出，對其進(jìn)行充分的變形，能使其充分破碎。

(3)硼對鈦合金力學(xué)性能的影響較大，Ti-1023合金對硼元素高度敏感，微量的硼就能顯著增大鈦合金的強(qiáng)度，硼含量在0.1%到0.2%之間時(shí)，抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度波動不大，但是塑性顯著下降。為了得到良好的強(qiáng)度-塑性匹配，最佳硼添加量不應(yīng)大于0.1%。

[1] 田廣民，洪權(quán)，張龍，等.國外大型民用客機(jī)用鈦[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2008，25(2)：19-22.

[2] 韓明臣，王成長，倪沛彤.鈦合金的強(qiáng)韌化技術(shù)研究進(jìn)展[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2011，28(6)：9-13.

[3] Lieberman S I, Singh H, Mao Y, et al. The microstructural characterization and simulation of titanium alloys modified with boron[J]. The Journal of the Minerals Metals and Materials Society, 2007,59(1): 59-63.

[4] Roy S, Tungala V, Suwas S. Effect of hypoeutectic boron addition on theβtransus of Ti-6Al-4V alloy[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2011, 42(9): 2535-2541.

[5] Gorsse S, Petitcorps Y L, Matar S, et al. Investigation of the Young’s modulus of TiB needles in situ produced in titanium matrix composite[J]. Materials Science and Engineering, 2003, 340(1/2): 80-87.

[6] 羅皓，陳志強(qiáng).硼改性鈦合金研究進(jìn)展[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2010，25(4)：77-81.

[7] Roy S, Suwas S. Deformation mechanisms during super-plastic testing of Ti-6Al-4V-0.1B alloy[J]. Materials Science and Engineering A, 2013,574(4): 205-217.

[8] 于洋.Ti-6Al-4V-0.1B合金顯微組織演變規(guī)律和力學(xué)行為研究[D].北京：北京有色金屬研究總院，2012.

[9] Ivasishin O M, Teliovych R V, Ivanchenko V G, et al. Processing, microstructure, texture, and tensile properties of the Ti-6Al-4V-1.55B eutectic alloy[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2008, 39(2): 402-416.

[10] Fan Z, Chandrasekaran L, Ward-Close C M,et al. The effect of pre-consolidation heat treatment on TiB morphology and mechanical properties of rapidly solidified Ti-6Al-4V-XB alloys[J]. Scripta Metallurgica, 1995, 32(6): 833-838.

[11] Koo M Y, Park J S, Park M K, et al. Effect of aspect ratios of in situ formed TiB whiskers on the mechanical properties of TiBw/Ti-6Al-4V composites[J]. Scripta Materialia, 2012, 66(7): 487-490.

[12] 孫朋朋，李士凱，孫二舉，等.鍛造火次對TB6鈦合金斷裂韌性和高周疲勞性能的影響[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2013,28(5):18-21.

[13] Huang L G, Chen Y Y. A study on the microstructures and mechanical properties of forged trace-boron-modified Ti-B20 alloy[J]. Materials and Design,2015,66: 110-117.

[14] 黃立國.含硼鈦合金高溫變形及組織性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

[15] 邱偉，魯世強(qiáng)，歐陽德來,等.鑄態(tài)TB6鈦合金β相區(qū)熱變形行為的研究[J].鍛壓技術(shù)，2010，35(6):119-123.

[16] 黃旭，朱知壽，王紅紅.先進(jìn)航空鈦合金材料與應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社，2012：116-119.

Effect of Boron on the Microstructure and Tensile Properties of Ti-1023 Alloy

Meng Yao, Huang Lijun, Zhang Mingjie,Zhang Wenqiang

(Beijing Institute of Aeronautical Material, Beijing 100095, China)

Experimental ingots of Ti-1023 alloy with boron which were obtained by vacuum consumable arc melting furnace were forged into bars. Metallographic microscope, electron probe and mechanical tests were used to analyze macro and micro structure and performance. This paper studied the effect of boron on the microstructure and properties of Ti-1023 alloy as cast and forged. It is found that the boron as a highly effective element can significantly refine the grain size of Ti-1023 cast alloy. Borides tend to precipitate in chain shape and sufficient deformation can make TiB fully broken. Trace amount of boron can significantly increase the strength of titanium alloy and when the content of boron is between 0.1% and 0.2%(w/%), the tensile and yield strength are barely changed while plasticity decreases significantly. To get excellent strength and plasticity match, the best boron addition amount should not be more than 0.1%.

βtitanium alloy; Ti-1023; boron; microstructure and tensile properties

2016-06-15

孟瑤(1987—)，男，工程師。

TG146.2+3

A

1009-9964(2016)04-0026-05