Ti-6Al-4V 組織相變研究進(jìn)展

許明方，陳玉華，陳偉，鄧懷波，季迪

（南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院 江西省航空構(gòu)件成形與連接重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063）

鈦及鈦合金是伴隨著航空工業(yè)快速興起的一種重要結(jié)構(gòu)金屬，具有密度小、比強(qiáng)度大、熱穩(wěn)定性好、耐蝕性良好以及焊接性能優(yōu)異等優(yōu)良特點(diǎn)[1—2]。有觀點(diǎn)認(rèn)為，鈦合金的用量與航空裝備先進(jìn)性是正相關(guān)的[3]，鈦是繼鋼鐵、鋁之后又一種重要的結(jié)構(gòu)材料，盡管鈦的工業(yè)化生產(chǎn)只有半個(gè)世紀(jì)，但鈦及鈦合金現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于航空航天、化工及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[4]。

1 鈦合金分類及Ti-6Al-4V 組成

在室溫下，鈦合金微觀結(jié)構(gòu)按其化學(xué)成分和含量可分為5 大類，即α鈦合金、近α鈦合金（β相質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于 10%）、α+β鈦合金（β相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～50%）、亞穩(wěn)定β鈦合金和β鈦合金[1,5]。對(duì)于α+β鈦合金，Ti-6Al-4V 是使用最廣泛的。Ti-6Al-4V 鈦合金是雙相合金，具有良好的綜合性能，組織穩(wěn)定性好，有良好的韌性、塑性和高溫變形性能，能較好地進(jìn)行熱壓力加工、淬火和通過(guò)時(shí)效使合金強(qiáng)化。熱處理后的強(qiáng)度約比退火狀態(tài)提高50%～100%；高溫強(qiáng)度高，可在400～500 ℃的溫度下長(zhǎng)期工作，其熱穩(wěn)定性次于α鈦合金。

Ti-6Al-4V 包含體積分?jǐn)?shù)為15%左右的β相，平衡溫度約800 ℃。在室溫下α相占主導(dǎo)地位，但當(dāng)其加熱到高于β轉(zhuǎn)變溫度，大約998 ℃時(shí)[6]，會(huì)作為單獨(dú)的β相存在。當(dāng)α+β鈦合金從β相變溫度以上淬火冷卻至室溫后，只有少量的β相保留（體積分?jǐn)?shù)小于10%）。其中鋁（Al）是α穩(wěn)定元素，通過(guò)固溶強(qiáng)化增加合金的強(qiáng)度和穩(wěn)定α相。釩（V）是β穩(wěn)定元素，除了穩(wěn)定β相，還大大提高了其室溫延展性。β穩(wěn)定元素的添加可以延緩α相的形成，促進(jìn)β相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，或使組織始終維持在β相。通過(guò)β和α穩(wěn)定元素的加入，使得α相和β相獲得了平衡且良好的力學(xué)性能，同時(shí)，可以通過(guò)控制穩(wěn)定元素的含量來(lái)改變相變溫度[6]，所以Ti-6Al-4V 合金具有較高的強(qiáng)度、延展性、疲勞性和斷裂性能。

圖1 鈦合金分類示意圖[7]Fig.1 Classification diagram of titanium alloy

2 Ti-6Al-4V 馬氏體相變

高溫β相由不同的冷卻速率冷卻至室溫時(shí)，可以轉(zhuǎn)變?yōu)閹追N不同類型的α相形態(tài)。馬氏體相變是一種無(wú)擴(kuò)散、無(wú)置換的相變[5]，是晶體通過(guò)切變方式由一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗庖环N結(jié)構(gòu)，是由界面遷移控制的固態(tài)相變，可以通過(guò)高冷卻速率實(shí)現(xiàn)。

純鈦加熱到882.5 ℃時(shí)會(huì)發(fā)生α→β轉(zhuǎn)變，合金化后該轉(zhuǎn)變溫度將隨合金元素的性質(zhì)和含量而變化。鈦合金加熱轉(zhuǎn)變的主要特點(diǎn)在于α→β轉(zhuǎn)變的體積變化?。s0.17%），相變應(yīng)力值低，且因體心立方β相自擴(kuò)散系數(shù)高，故轉(zhuǎn)變迅速，不易過(guò)熱。在α+β鈦合金中，β相向α相轉(zhuǎn)變極大地影響最終的微觀結(jié)構(gòu)，從而決定材料的最終性能。根據(jù)合金成分和冷卻速度的不同，bbc-β→hcp-α階段會(huì)發(fā)生馬氏體相變，或通過(guò)擴(kuò)散相變控制形核和生長(zhǎng)過(guò)程。Burgers 首次在鋯[8]中研究得到了hcp-α向bcc-β轉(zhuǎn)變時(shí)具有某種取向關(guān)系，后來(lái)在鈦合金中證實(shí)了這種關(guān)系，因此這種關(guān)系也被稱為伯格斯取向關(guān)系（BOR，Burgers orientation relationship）。即：{110}βbcc||{0002}αhcp&＜

由于晶體的對(duì)稱性，這種關(guān)系決定了在一個(gè)β晶粒內(nèi)可以形成12 種晶體學(xué)取向的α相，即12 個(gè)α相變體[9—11]，形成何種取向的α相是隨機(jī)的，即無(wú)變體選擇。但是在實(shí)際材料中，由于各種復(fù)雜因素的存在，這一微小空間的原始母相在發(fā)生β→α相變時(shí)受該處周圍環(huán)境的影響，會(huì)造成某一個(gè)α相變體更容易形成。從熱力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，形成這一α相變體所造成的系統(tǒng)能量降低會(huì)更多，即發(fā)生了變體選擇。從表象上來(lái)說(shuō)，實(shí)際上是α相的局部擇優(yōu)取向生長(zhǎng)[12]。

α′是β相以非擴(kuò)散轉(zhuǎn)變形成的過(guò)飽和非平衡六方晶格α相，根據(jù)合金元素含量的區(qū)別，α′有兩種典型形貌，袋狀（Packet）或針狀（Acicular）。T.Ahmed和H.J.Rack[14]通過(guò)采用末端冷淬法對(duì)Ti-6Al-4V 進(jìn)行相變組織研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冷卻速率達(dá)到525 ℃/s 時(shí)，β相將轉(zhuǎn)變?yōu)棣痢湎啵⑼ㄟ^(guò)TEM 觀察得到α′相由較長(zhǎng)的針狀形態(tài)并且互相垂直的馬氏體板和亞結(jié)構(gòu)組成，亞結(jié)構(gòu)主要包含位錯(cuò)和堆垛層錯(cuò)，少數(shù)馬氏體板含有孿晶。

圖2 α 相和β 相之間的伯格斯取向關(guān)系（BOR）[13]Fig.2 Burgers relationship between α and β (BOR)

3 競(jìng)爭(zhēng)擴(kuò)散型相變?chǔ)隆羗

一般認(rèn)為，塊型轉(zhuǎn)變（Massive transformation）是熱激活的，遵循形核和生長(zhǎng)規(guī)律。新相通常在母相的晶界發(fā)生形核。塊型相變雖是以原子不相協(xié)作方式，但通過(guò)非共格界面進(jìn)行短程擴(kuò)散后，母相即直接形成同成分新相，因此，塊型轉(zhuǎn)變具有無(wú)擴(kuò)散相變的某些特點(diǎn)，但又不同于馬氏體相變，即不是馬氏體。

Ahmed 和Rack[14]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，Ti-6Al-4V 在中等冷卻速率下存在β→αm的塊型轉(zhuǎn)變。塊型轉(zhuǎn)變后形成的αm組成仍然與母相β相同，只是晶體結(jié)構(gòu)從bcc→hcp 發(fā)生變化。Plichta[15—16]等分別對(duì) Ti-Ag,Ti-Au 和Ti-Si 的共析體連續(xù)冷卻，證實(shí)了由于α相的擴(kuò)散限制生長(zhǎng)使得這種轉(zhuǎn)變通常發(fā)生在一個(gè)足夠低的溫度。兩者表明在高冷卻率下，塊狀α優(yōu)先在β晶粒邊界形核，緊隨其后的是β晶粒邊界附近形成板條狀馬氏體，最后在β晶粒內(nèi)部形成獨(dú)立的板條狀馬氏體，αm出現(xiàn)不規(guī)則晶界沉淀且具有嚴(yán)重的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。

4 擴(kuò)散控制相變

擴(kuò)散相變是通過(guò)較慢的冷卻速率實(shí)現(xiàn)，如爐冷或空冷，較慢的冷卻速率給予晶粒充分的形核和生長(zhǎng)，并且其中涉及到溶質(zhì)的分區(qū)。原始β晶粒中的不規(guī)則αGB、初生α集束（primaryα，αp）和魏氏α組織（Widmanst?ttenα）都是由擴(kuò)散控制相變的。

當(dāng)鈦合金在β相變點(diǎn)上以相對(duì)較慢的冷卻速度冷卻時(shí)，α相優(yōu)先在原始β晶界形核，形成連續(xù)或間斷的層，即晶界α（Grain boundaryα，αGB）。Banerjee等[17]通過(guò)對(duì)Ti-8Al-xV 進(jìn)行激光近凈成形實(shí)驗(yàn)，得出了間斷αGB層出現(xiàn)的主要原因是由于較快的冷卻速率和較多的β穩(wěn)定元素。

在β相冷卻區(qū)域，α相依附原始β晶界形核，因?yàn)榫Ы绲拇嬖谀軌蜃鳛橐粋€(gè)有效的形核位點(diǎn)。Bhattacharyya 等[18]和Stanford 等[19]分別通過(guò)對(duì)Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 在β相變點(diǎn)以上后緩冷使其發(fā)生擴(kuò)散轉(zhuǎn)變，研究結(jié)果表明重要的變量選擇是發(fā)生在擴(kuò)散轉(zhuǎn)變，對(duì)原始β晶界上產(chǎn)生的α變體的研究表明，變體在轉(zhuǎn)化過(guò)程中的選擇高度依賴于這些原始晶界。在大多數(shù)情況下，αGB總是與原始β晶粒表現(xiàn)出一定的伯格斯取向關(guān)系。

隨著冷卻時(shí)間的增加，在原始β晶粒中，魏氏組織（Widmanst?tten）開始以大量的片層狀即α集束形式從αGB開始生長(zhǎng)，且始終保持伯格斯取向關(guān)系。初生α集束由高縱橫比的α片層組成。每個(gè)α片層彼此平行排列，同時(shí)與相應(yīng)的母相β晶粒保持一定方向。β晶粒內(nèi)初生α集束逐漸形核并保持生長(zhǎng)，直到與另一側(cè)的初生α集束相遇。從另一方面看，這可能屬于伯格斯關(guān)系的不同變體。隨著冷卻速率增加，部分α片層寬度變窄的同時(shí)數(shù)量也在減少，這使得集束的規(guī)模也在減小。

在較高的冷卻速率下，由于驅(qū)動(dòng)力的增加，α的形核不僅發(fā)生在晶界，還包括晶粒內(nèi)部的α片上。最后，原始晶界基本破碎，α片或α+β小片短而歪曲，并具有較小的縱橫比，α集束交錯(cuò)排列，形成網(wǎng)籃組織[1]。

圖3 擴(kuò)散控制相變順序示意圖[16]Fig.3 Schematic illustration of the transformation sequence of diffusion controlled phase

5 新方法在研究Ti-6Al-4V 微觀組織的運(yùn)用

隨著科技的不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的先進(jìn)設(shè)備被廣泛用于研究，如EBSD（電子背散射衍射，Electron Backscattered Diffraction）技術(shù)和實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方法逐漸興起。目前，EBSD 技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)采集微區(qū)取向信息，如織構(gòu)和取向差分析、晶粒尺寸及形狀分布分析、晶界/亞晶及孿晶界性質(zhì)分析、應(yīng)變和再結(jié)晶的分析等。G.C.Obasi 等[13]通過(guò)向Ti-6Al-4V 中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的釔，并運(yùn)用EBSD 技術(shù)印證了伯格斯理論的成立以及證實(shí)了α集束是從αGB上形核和生長(zhǎng)。Stanford 等[19]通過(guò)EBSD研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)從室溫加熱到β相變點(diǎn)時(shí)，Ti-6Al-4V 中的β相從已有的β相繼續(xù)外延生長(zhǎng)，而不是形核生成新的β晶粒（盡管織構(gòu)將被晶粒長(zhǎng)大所改變）。Biswaranjan Dash 等[20]利用EBSD 定位成像顯微鏡得到了亞穩(wěn)定β鈦合金中母相晶界三結(jié)處（Triple junctions）相的形成與母相的晶界處形成的α相一樣，三結(jié)處的α相也與相鄰的3 個(gè)晶粒中的一個(gè)形成伯格斯取向關(guān)系。SEMIATIN 等[21]通過(guò)在Ti-6Al-4V 上進(jìn)行精心控制的感應(yīng)加熱試驗(yàn)，并結(jié)合基于擴(kuò)散控制生長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型，該建模方法測(cè)定了初生α相的體積分?jǐn)?shù)和冷卻過(guò)程中形成的次生α相的形核位點(diǎn)以及生長(zhǎng)行為，筆者通過(guò)這一手段驗(yàn)證了建模方法的有效性。

王棟等[22]基于集成計(jì)算材料工程的思想，提出了CAPHAD 和相場(chǎng)模擬的臨界實(shí)驗(yàn)方法，這一方法有助于設(shè)計(jì)具有超細(xì)和均勻沉淀組織的新一代鈦合金（合金化學(xué)和工藝條件），從而可能大大改善性能平衡。在這種方法中，合金的發(fā)展將以計(jì)算模型為主導(dǎo)，以便快速發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的試錯(cuò)方法可能已經(jīng)錯(cuò)過(guò)的新型合金。

6 結(jié)論

總結(jié)了α+β鈦合金組織相變的研究情況，得到了不同冷卻速度下Ti-6Al-4V 內(nèi)部微觀組織，并提到了EBSD 技術(shù)在鈦合金微觀組織中的應(yīng)用以及實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的研究的興起，為以后鈦合金微觀結(jié)構(gòu)和相變的研究提供了新的研究思路和方法。