微量Fe對(duì)TC21鈦合金硬度及退火態(tài)組織的影響

楊 帆，王志斌，趙慧娜，梁佳彬，張俊喜

(蘭州工業(yè)學(xué)院 材料工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

隨著航空航天事業(yè)的快速發(fā)展，要求所使用的結(jié)構(gòu)材料不僅質(zhì)輕而且綜合力學(xué)性能較高，由于鈦合金能夠滿足以上要求，因而受到廣泛關(guān)注[1-2].我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TC21，屬α+β型高強(qiáng)高韌鈦合金，因其綜合力學(xué)性能較好而有巨大潛力[3-4].對(duì)TC21進(jìn)行熱氫處理的研究結(jié)果表明，當(dāng)氫化溫度高于650 ℃時(shí)，組織中的α相會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪郲5].通過對(duì)鍛造與熱處理工藝和TC21鈦合金硬度之間關(guān)系的研究，表明硬度與鍛后冷卻方式直接相關(guān)，其中冷卻方式為空冷和緩冷時(shí)的硬度值較高，組織中可見片狀的α相[6].而對(duì)TC21鈦合金多向鍛造的結(jié)果顯示，該合金的層片組織會(huì)發(fā)生球化，而且隨鍛造溫度升高，球狀組織還會(huì)粗化[7].通過對(duì)TC21鈦合金熱軋退火后的組織和力學(xué)性能之間關(guān)系的研究，發(fā)現(xiàn)α相和β相晶粒形貌變化規(guī)律不同，且材料的強(qiáng)度隨著退火溫度的升高而提高，而塑性有所降低[8].

雖然鈦合金已得到廣泛應(yīng)用，但加工時(shí)還存在很多問題，如鈦合金傳熱困難引起的粘刀,鈦合金因彈性模量小在切削時(shí)產(chǎn)生回彈而加快刀具的磨損等，都使得加工成本居高不下，嚴(yán)重影響了加工性能和使用范圍.眾所周知，合金元素可改變金屬的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響材料的加工性能.Fe元素能有效穩(wěn)定β相，且價(jià)格低廉，是一種較為理想的合金添加元素[9].而硬度是金屬材料切削加工性能的一項(xiàng)重要指標(biāo).同時(shí)，對(duì)鈦合金進(jìn)行退火熱處理可消除應(yīng)力、穩(wěn)定合金結(jié)構(gòu)、提高塑性.因此，研究合金元素對(duì)鈦合金硬度和退火后的組織的變化規(guī)律及其理論，對(duì)于改善鈦合金的加工性能、降低加工成本具有重要的工程價(jià)值.

為此，本文以TC21鈦合金為研究對(duì)象，采用真空熔煉法向鈦合金中添加微量的Fe元素，首先研究添加元素對(duì)硬度的影響機(jī)制，再研究熱處理工藝對(duì)合金顯微組織影響規(guī)律，從而為改善鈦合金切削加工性能提供理論依據(jù)和工程參考.

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)采用的材料為商用TC21鈦合金板和純鐵(99.99%)，其中鈦合金的化學(xué)成分見表1.熔煉前將鈦合金板加工成尺寸為?10 mm×15.1 mm的圓柱，用于硬度測(cè)試、真空熔煉和后期熱處理及顯微組織觀察.熔煉采用WK-II型非自耗真空電弧爐(電流：500 A；真空度：2×10-4Pa)，冷卻方式為水冷.由于該設(shè)備熔煉時(shí)在保護(hù)氣氛(純氬氣)下進(jìn)行，既有效避免了試樣被污染，又能防止鈦合金元素的揮發(fā).

表1 TC21鈦合金的化學(xué)成分 %

熔煉結(jié)束后，采用線切割將鑄錠加工成尺寸為?5 mm×7.5 mm的圓柱試樣，再對(duì)試樣進(jìn)行打磨、拋光和腐蝕，然后利用掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行微觀組織觀察，并利用能量散射X射線譜(EDX)對(duì)其成分進(jìn)行檢測(cè)；同時(shí)，利用洛氏硬度計(jì)(型號(hào)為THRP-150D)對(duì)鑄態(tài)試樣的硬度進(jìn)行測(cè)試.熔煉后的合金采用線切割制備熱處理試樣，打磨去除油污后進(jìn)行熱處理.根據(jù)文獻(xiàn)[10-11]，β相的轉(zhuǎn)變溫度為(955±5) ℃，本研究中確定920、940、960 ℃溫度下為近β相區(qū)退火處理，980、1 000 ℃溫度下為β相區(qū)的退火處理，并選取940 ℃和1 000 ℃退火處理后的試樣觀察其顯微組織變化；退火處理時(shí)保溫時(shí)間設(shè)定為4 h.根據(jù)微觀組織變化、組織成分和硬度變化等規(guī)律，研究微量Fe元素對(duì)鈦合金硬度和退火態(tài)組織的影響規(guī)律.

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)TC21鈦合金硬度的影響

在TC21鈦合金中分別加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(分別為0.2%、0.5%、0.8%、1.1%、1.4%、1.7%)的Fe元素，所得合金硬度值的變化規(guī)律如圖1所示.

圖1 TC21-xFe合金的硬度變化曲線

由圖1可以看到：加入Fe元素后TC21合金的硬度有先升高再降低的趨勢(shì).當(dāng)Fe元素添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，HRC硬度為48.2，比未添加Fe的試樣硬度(約為37.2 HRC)提高30%，硬度提高的效果最顯著，同時(shí)達(dá)到最大值；隨著Fe元素含量的繼續(xù)增大，合金硬度開始降低，當(dāng)Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.7%時(shí)的硬度和TC21母材大致相同.

向鈦合金中加入微量Fe元素能有效提高合金的硬度，一方面是因?yàn)楦邷叵翭e元素能與Ti形成置換固溶體，而2種金屬的原子半徑不同，置換時(shí)必然會(huì)造成晶格畸變，使得晶粒內(nèi)部位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增大，從而造成固溶強(qiáng)化；另一方面Fe作為強(qiáng)β相元素，它對(duì)β相的穩(wěn)定作用較強(qiáng)，少量的Fe元素可促使鈦合金晶粒細(xì)化，晶界變多，使得變形分散到更多的晶粒和晶界上進(jìn)行，向TC21鈦合金中添加Fe元素，會(huì)使合金發(fā)生偏聚形成碳化物，使合金硬化[9].然而隨著合金中Fe原子數(shù)量的增多，合金中的置換原子和空位的擴(kuò)散速度逐漸加快，位錯(cuò)的滑移速度隨之增加，合金回復(fù)軟化，說明軟化程度隨著Fe含量的增加變得更為明顯.

2.2 對(duì)TC21鈦合金退火態(tài)組織的影響

圖2為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fe元素后TC21鈦合金經(jīng)940 ℃退火處理后的微觀組織.仔細(xì)對(duì)比圖2可看出：隨合金中Fe含量不同，從初生β相晶界上析出的α相呈針狀相互交錯(cuò)分布于β相基體中(見圖2(a)～(c))；隨著Fe含量的繼續(xù)增加，α相的形態(tài)有從針狀向等軸狀轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)(見圖2(d)-(f))；當(dāng)Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.1%時(shí)，α相的最大直徑約為5 μm，但其形貌仍接近針狀組織；而當(dāng)Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高到1.7%時(shí)，α相的形態(tài)已變?yōu)榘魻?，其最大直徑達(dá)10 μm左右，且長(zhǎng)寬比明顯減小.

值得一提的是，依次對(duì)比圖2(a)～(f)還可發(fā)現(xiàn)：隨著Fe含量的增加，合金中的β相和α相所占的比例發(fā)生了變化，即α相在組織中的體積分?jǐn)?shù)越來越小，而β相體積分?jǐn)?shù)有增大的趨勢(shì).

圖3為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fe的鈦合金在β相區(qū)1 000 ℃退火處理后的顯微組織，可以看出：不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的微量Fe元素對(duì)合金的退火態(tài)微觀組織影響比較明顯.在Fe含量為0.2%的TC21鈦合金組織中，β基體上析出大量均勻分布α相，形狀不規(guī)則；當(dāng)Fe含量達(dá)到0.5%時(shí)，α相體積變大，但形態(tài)變化不大，仍然呈不規(guī)則形狀(見圖3(a)～(b))；當(dāng)Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至0.8%時(shí)，鈦合金組織中α相變?yōu)榧?xì)長(zhǎng)條狀，長(zhǎng)寬比增加；當(dāng)Fe含量升高至1.1%時(shí)，α相在組織中分布不均勻且團(tuán)聚現(xiàn)象顯著(見圖3(d))，而且α相呈現(xiàn)2種形態(tài)，一部分為細(xì)長(zhǎng)條狀，另一部分α相呈板條狀；當(dāng)進(jìn)一步增大Fe含量時(shí)，組織中板條狀α相變得更加粗大，長(zhǎng)寬比增大(見圖3(e)～(f) )；隨著Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高，β相內(nèi)還析出了細(xì)針狀的二次α相，其數(shù)量隨著合金中Fe元素含量的增加而增多.組織中黑色碳化物出現(xiàn)的位置和尺寸也有顯著變化，碳化物由起初分布于α相與β相的界面上轉(zhuǎn)為分布于α相內(nèi)，且變得越來越細(xì)小.另外隨著Fe含量的增加，β相在組織中所占的體積也逐漸增大.可見，微量Fe通過直接影響鈦合金組織中α相和β相的形態(tài)以及它們的相對(duì)含量，從而影響TC21合金熱處理后的微觀組織.

(a)0.2%Fe；(b)0.5%Fe；(c)0.8%Fe；(d)1.1%Fe；(e)1.4%Fe；(f)1.7%Fe.圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fe的TC21鈦合金經(jīng)940 ℃退火處理后的微觀組織

(a)0.2%Fe；(b)0.5%Fe；(c)0.8%Fe；(d)1.1%Fe；(e)1.4%Fe；(f)1.7%Fe.圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fe的TC21鈦合金經(jīng)1 000 ℃退火處理后的微觀組織

3 結(jié)論

1) TC21鈦合金中加入微量Fe元素后對(duì)合金的硬度有較大的影響. 當(dāng)Fe元素濃度質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.2%～1.7%范圍內(nèi)時(shí)，鈦合金的硬度呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，其中當(dāng)Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，硬度比未添加Fe時(shí)提高了30%，效果最為顯著.

2) 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fe的TC21鈦合金經(jīng)940 ℃退火處理后的微觀組織為網(wǎng)籃組織，隨Fe含量增加，α相等軸化趨勢(shì)增強(qiáng)，長(zhǎng)寬比變小，β相的體積分?jǐn)?shù)增大.

3) TC21合金經(jīng)1 000 ℃退火處理后，隨著Fe含量增加，α相有等軸化趨勢(shì)；而當(dāng)Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1.1%時(shí)，α相團(tuán)聚顯著，部分α相呈板條狀分布，β相的體積分?jǐn)?shù)增大.