TC21鈦合金的全片層組織和沖擊性能研究

朱 紅，溫 鑫，萬(wàn)明攀，黃朝文

(1. 貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550008)(2. 貴州大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 550025)

TC21鈦合金是我國(guó)自主研發(fā)的損傷容限型鈦合金，具有高的比強(qiáng)度、低的裂紋擴(kuò)展速率和優(yōu)良的損傷容限性能[1-3]。近年來(lái)，該合金受到國(guó)內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注，對(duì)其熱機(jī)械工藝、組織調(diào)控、固態(tài)相變和力學(xué)性能等進(jìn)行了大量的研究[4-8]。Tan等人[9]研究了TC21鈦合金的低周疲勞性能和微觀變形機(jī)制。Shao等人[10，11]研究了等軸組織和片層組織TC21鈦合金的裂紋擴(kuò)展行為，發(fā)現(xiàn)裂紋萌生主要發(fā)生在α片的界面處，并且與片層組織相比，等軸組織的TC21鈦合金具有更好的拉伸性能和疲勞壽命。Tang等人[12]采用Johnson-Mehl-Avrami動(dòng)力學(xué)方程，研究了TC21鈦合金在淬火處理后不同溫度下的等溫相變機(jī)制。

隨著飛行器選材判據(jù)從過(guò)去“安全-壽命”設(shè)計(jì)理念逐漸向“破損-安全”設(shè)計(jì)概念和損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的轉(zhuǎn)變，片層組織因具有比其他顯微組織更好的損傷容限性能備受關(guān)注[13]。與鋼中的板條馬氏體組織一樣，鈦合金的片層組織具有多層次的特點(diǎn)：顯微組織由無(wú)數(shù)個(gè)原始β晶粒構(gòu)成，在每個(gè)β晶粒內(nèi)部又由幾個(gè)α集束或α叢域組成，在一個(gè)α集束內(nèi)又包含了相互平行的α片，甚至在平行α片之間的β相轉(zhuǎn)變組織中有細(xì)針狀α片。通過(guò)熱機(jī)械加工可以調(diào)控鈦合金的多層次組織形態(tài)。

本文以TC21鈦合金為研究對(duì)象，通過(guò)不同退火工藝獲得不同的多層次全片層組織TC21鈦合金，并研究片層組織對(duì)其沖擊韌性的影響，以期為制定TC21鈦合金的熱處理制度提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用材料為TC21鈦合金鍛坯，原始組織如圖1所示。該合金的顯微組織由等軸狀α相和β相轉(zhuǎn)變組織構(gòu)成，為典型的雙態(tài)組織。采用DIL 805 A/D 高溫相變/熱模擬儀測(cè)得其相變點(diǎn)為(970±5)℃。采用電火花線切割方式從鍛坯上切取若干塊狀試樣(滿足加工沖擊試樣的要求)。為了獲得全片層組織，將塊狀試樣放置在熱處理爐內(nèi)加熱至980 ℃，保溫60 min，然后分別轉(zhuǎn)移到溫度為720、770、820 ℃的熱處理爐中進(jìn)行退火處理，保溫時(shí)間為150 min，出爐后空冷。

圖1 TC21鈦合金鍛坯的原始組織Fig.1 Original microstructure of TC21 titanium alloy forging billet

將熱處理后的塊狀材料按照GB/T 229—2007標(biāo)準(zhǔn)加工成10 mm×10 mm×55 mm標(biāo)準(zhǔn)夏氏V型缺口沖擊試樣。采用NI300C示波沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，用電腦軟件記錄試樣在沖擊過(guò)程中的載荷、位移等信息，每種狀態(tài)測(cè)試3個(gè)試樣。從沖斷后的試樣上切取金相試樣，首先用金相砂紙打磨、拋光，再用氫氟酸+硝酸+水混合液(體積比為1∶3∶7)進(jìn)行腐蝕。采用Leica DMI5000M顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察，并用Image-Pro Plus 4.5軟件對(duì)顯微組織進(jìn)行處理，采用定量分析的方法[14]對(duì)顯微組織中的α片層厚度、晶界α厚度、α叢域大小和β晶粒尺寸等特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用SUPRA40場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行電子背散射衍射(EBSD)分析和斷口形貌觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

圖2為TC21鈦合金分別在720、770、820 ℃保溫150 min并空冷后的顯微組織。從圖2可以看出，不同溫度退火后的TC21鈦合金都獲得了全片層顯微組織。表1為通過(guò)Image-Pro Plus 4.5軟件統(tǒng)計(jì)得到的TC21鈦合金顯微組織的特征參數(shù)。從表1可以看出，合金的顯微組織呈現(xiàn)多層次的特征，在幾百微米的β晶粒內(nèi)包含著幾十微米的α叢域和幾微米的晶界α相，α叢域又由幾微米的片狀α相構(gòu)成。隨著退火溫度的升高，β晶粒尺寸基本保持不變，而顯微組織中的α片層厚度、晶界α相厚度、α叢域大小都有不同程度的增加。其中，α叢域尺寸增加幅度最大，經(jīng)過(guò)820 ℃退火處理后，α叢域平均尺寸達(dá)到65.16 μm。這是因?yàn)楫?dāng)TC21鈦合金從980 ℃冷卻至退火溫度后，首先會(huì)在β晶粒的晶界處或β晶粒內(nèi)部局部區(qū)域出現(xiàn)成分起伏、能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏[15]，若達(dá)到α相形核的條件，便能夠形成α相。由于鈦合金中β→α+β相轉(zhuǎn)變是典型的擴(kuò)散型相變,所以在α相形核和長(zhǎng)大過(guò)程中，原子擴(kuò)散速率起到?jīng)Q定性作用。TC21鈦合金在720、770、820 ℃退火過(guò)程中，因溫度低于β相轉(zhuǎn)變溫度，故此時(shí)退火溫度對(duì)β晶粒尺寸影響不大。從相變熱力學(xué)來(lái)說(shuō)，α相形核過(guò)程中，退火溫度越低，過(guò)冷度就越大，相變的驅(qū)動(dòng)力就越高，形核率也越高。也就是滿足α相形核的位置越多，在隨后的長(zhǎng)大過(guò)程中，原先形核的α相逐漸長(zhǎng)大，相互平行的α片也逐漸增多，形成α叢域。所以退火溫度越低，顯微組織中單位面積內(nèi)α叢域數(shù)量越多，尺寸越小。就合金中α片厚度來(lái)說(shuō)，隨著退火溫度的升高，原子擴(kuò)散速率增大，α片厚度增加。

圖2 TC21鈦合金經(jīng)不同溫度退火后的顯微組織Fig.2 Microstructures of TC21 titanium alloy annealed at different temperatures: (a)720 ℃; (b)770 ℃; (c)820 ℃

表1 TC21鈦合金經(jīng)不同溫度退火處理后的顯微組織特征參數(shù)

Table 1 Microstructural parameters of TC21 titanium alloy annealed at different temperatures

2.2 EBSD照片

為了獲得更多的微觀組織信息，對(duì)退火后的TC21鈦合金顯微組織進(jìn)行了EBSD分析。圖3為TC21鈦合金在770、820 ℃退火空冷后的EBSD照片。從圖3可以看出，與770 ℃退火后的組織相比，經(jīng)820 ℃退火后顯微組織中取向一致的區(qū)域明顯增大。這與前文敘述的顯微組織中α叢域尺寸演化規(guī)律相對(duì)應(yīng)。圖4為TC21鈦合金經(jīng)不同溫度退火后大角度界面和小角度界面的體積分?jǐn)?shù)。從圖4可以看出，隨著退火溫度的升高，小角度界面的體積分?jǐn)?shù)逐漸增加。相反，大角度界面的體積分?jǐn)?shù)逐漸下降。文獻(xiàn)[7]研究表明，鈦合金中的β晶粒界面和α叢域界面一般為大角度界面，這說(shuō)明隨著退火溫度升高，TC21鈦合金中的β晶粒界面和α叢域界面所占比例均下降，這亦與前文所述的顯微組織分析結(jié)果相一致。

圖3 TC21鈦合金經(jīng)不同溫度退火后的EBSD照片F(xiàn)ig.3 EBSD images of TC21 titanium alloy annealed at different temperatures: (a)770 ℃; (b)820 ℃

圖4 TC21鈦合金經(jīng)不同溫度退火后大角度界面和小角度界面的體積分?jǐn)?shù)Fig.4 Percentage of high and low angles of TC21 titanium alloy annealed at different temperatures

2.3 沖擊韌性

圖5為TC21鈦合金試樣經(jīng)不同溫度退火后的沖擊載荷-位移曲線。通過(guò)載荷-位移曲線可以獲得不同狀態(tài)試樣在沖擊過(guò)程中的屈服載荷、最大載荷、裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展起點(diǎn)的載荷和裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展終點(diǎn)的載荷。從圖5可以看出，隨著退火溫度的升高，試樣的最大載荷增大，沖擊載荷與位移曲線所包圍的面積也增大。這說(shuō)明TC21鈦合金在沖擊斷裂過(guò)程中所吸收的能量隨著退火溫度增加而增加。

合金在沖擊斷裂過(guò)程中所吸收的能量由2部分構(gòu)成，一部分為裂紋形成功(Wi)，另一部分裂紋擴(kuò)展功(Wp)。圖6為TC21鈦合金經(jīng)不同溫度退火后的吸收功。從圖6可以看出，TC21鈦合金沖擊斷裂所消耗的能量以裂紋的形成功為主，這與很多研究結(jié)果一致[16-17]。同時(shí)，裂紋的形成功和擴(kuò)展功都隨著退火溫度的升高而增加，且裂紋擴(kuò)展功所占的比例由720 ℃退火時(shí)的25%升高到820 ℃退火時(shí)的43%。這說(shuō)明隨著退火溫度的升高，粗片狀組織抵抗裂紋擴(kuò)展的能力逐漸增強(qiáng)。根據(jù)前文分析，隨著退火溫度的升高，片層組織α片厚度和α叢域尺寸都增大，小角度界面所占比例也提高。當(dāng)α片厚度較小時(shí)，因?yàn)棣?β界面數(shù)量增加，單位體積內(nèi)所占比例較大，即阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙增多，在沖擊載荷作用下，α片與片之間的協(xié)調(diào)性下降，產(chǎn)生應(yīng)力集中的可能性增大，容易導(dǎo)致裂紋形成；當(dāng)裂紋形成后，裂紋擴(kuò)展與裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)有較大關(guān)系。裂紋總會(huì)選擇能量最低的路徑擴(kuò)展。當(dāng)α片厚度較小時(shí)，裂紋穿過(guò)α片所消耗的能量小于裂紋轉(zhuǎn)向或分叉所需的能量，此時(shí)裂紋將穿過(guò)α片進(jìn)行擴(kuò)展[18]，因而表現(xiàn)出裂紋擴(kuò)展功所占比例相對(duì)較低。而當(dāng)α片的厚度增加到一定程度后，穿過(guò)α片所需的能量大于裂紋分叉和偏轉(zhuǎn)所需的能量，以至于裂紋將繞過(guò)α片進(jìn)行擴(kuò)展，使路徑的曲折程度增加，從而提高了裂紋的擴(kuò)展功。這是820 ℃退火后裂紋擴(kuò)展功提高的主要原因。

圖5 TC21鈦合金經(jīng)不同溫度退火后的沖擊載荷-位移曲線Fig.5 Impact load-displace curves of TC21 titanium alloy annealed at different temperatures

圖6 TC21鈦合金經(jīng)不同溫度退火后的沖擊吸收功Fig.6 Impact absorbed energies of TC21 titanium alloy annealed at different temperatures

2.4 斷口形貌

圖7為TC21鈦合金試樣經(jīng)720、820 ℃退火后沖擊斷口裂紋萌生區(qū)的形貌。從圖7可以看出，退火溫度對(duì)斷口形貌有較大的影響。720 ℃退火后，斷口上存在細(xì)小的韌窩和撕裂棱，表現(xiàn)出穿晶斷裂的特征，而820 ℃退火后斷口上有較大的韌窩，同時(shí)存在二次裂紋，斷裂機(jī)制以沿晶斷裂為主。2.3節(jié)分析表明，退火溫度較低時(shí)獲得的α片較細(xì)，裂紋容易穿過(guò)α片進(jìn)行擴(kuò)展，而退火溫度較高時(shí)形成的α片粗大，裂紋將繞過(guò)α片沿著晶界、叢域界或α/β界面擴(kuò)展。Mainak Sen等人[19]研究認(rèn)為，細(xì)片狀的α片層組織在較低應(yīng)變狀態(tài)下即可發(fā)生應(yīng)變硬化，繼續(xù)發(fā)生變形的難度增加。同時(shí)細(xì)片狀α相和β基體界面上會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致納米孔洞的形成。在外力作用下，納米孔洞逐漸合并成裂紋，引起開(kāi)裂。而對(duì)于粗大的片層組織，在外加應(yīng)力載荷下，是整個(gè)α叢域承受變形而非單個(gè)α片，在α叢束界因應(yīng)變不協(xié)調(diào)出現(xiàn)微小孔洞，逐漸合并為微小裂紋，并沿著α叢束界擴(kuò)展。這與之前的分析結(jié)果基本一致。因此，與720 ℃退火相比，820 ℃退火獲得的粗片層組織在沖擊載荷作用下，α叢束之間相互協(xié)調(diào)變形，在叢束界產(chǎn)生應(yīng)變不協(xié)調(diào)才會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致開(kāi)裂，裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中將會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)或分叉，出現(xiàn)二次裂紋，表現(xiàn)出相對(duì)較好的沖擊韌性。

圖7 TC21鈦合金經(jīng)不同溫度退火后的沖擊斷口形貌Fig.7 Impact fracture morphologies of TC21 titanium alloy annealed at different temperatures： (a)720 ℃； (b)820 ℃

3 結(jié) 論

(1)TC21鈦合金經(jīng)980 ℃固溶處理后，再經(jīng)720、770、820 ℃退火處理，均可獲得具有多層次特征的全片層組織。

(2)隨著退火溫度升高，TC21鈦合金的α片層厚度、晶界α厚度和α叢域尺寸都增大，且α叢域尺寸變化最明顯，而β晶粒大小基本保持不變。

(3)隨著退火溫度升高，TC21鈦合金沖擊斷裂過(guò)程中的裂紋形成功和擴(kuò)展功都增大，且擴(kuò)展功所占比例逐漸提高。

(4)隨著退火溫度升高，TC21鈦合金斷裂機(jī)制從穿晶斷裂為主逐漸向沿晶界和叢域界斷裂為主轉(zhuǎn)變。