β型γ-TiAl合金熱變形過程中組織演化及動態(tài)再結(jié)晶行為研究現(xiàn)狀

強(qiáng)鳳鳴，寇宏超，賈夢宇，唐斌，李金山

β型γ-TiAl合金熱變形過程中組織演化及動態(tài)再結(jié)晶行為研究現(xiàn)狀

強(qiáng)鳳鳴，寇宏超，賈夢宇，唐斌，李金山

（西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072）

TiAl合金以其低密度、高比強(qiáng)和良好的抗蠕變性等優(yōu)點(diǎn)，已在航空發(fā)動機(jī)上獲得應(yīng)用。先進(jìn)的β型γ-TiAl合金通過引入一定量的β/B2相，顯著改善了合金的熱加工能力，該類合金更適合熱機(jī)械加工。對β型γ-TiAl合金熱機(jī)械加工過程中的組織演化和變形行為形成完整的認(rèn)識是制定和優(yōu)化熱加工工藝的前提。綜述了β型γ-TiAl合金的不同初始組織在熱機(jī)械加工過程中的組織演變及其動態(tài)再結(jié)晶機(jī)制，指出當(dāng)熱加工溫度低于γ,solv時(shí)，組織演化主要與（α/α2+γ）片層團(tuán)的破碎有關(guān)；當(dāng)熱加工溫度高于γ,solv時(shí)，主要與α相的動態(tài)再結(jié)晶有關(guān)，同時(shí)分析了β相的存在對（α/α2+γ）片層團(tuán)以及α相動態(tài)再結(jié)晶的影響，最后對β型γ-TiAl合金熱變形過程中的基礎(chǔ)問題進(jìn)行了總結(jié)和展望。

TiAl合金；熱機(jī)械加工；變形行為；再結(jié)晶；組織演化

航空航天工業(yè)的發(fā)展，使人們以更輕的質(zhì)量、更高的使用溫度和更快的運(yùn)行速度為設(shè)計(jì)理念，對發(fā)動機(jī)材料的使用性能提出了更加苛刻的要求。TiAl合金作為一種新型高溫結(jié)構(gòu)材料，具有低密度、高比強(qiáng)度、高比模量和良好的抗蠕變、抗氧化、抗燃燒性能等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-4]，在航空發(fā)動機(jī)上可用于制備低壓渦輪葉片、高壓壓氣機(jī)葉片和機(jī)匣等，對提高發(fā)動機(jī)的推重比和燃油效率具有重要作用，同時(shí)也可減少有害氣體排放和噪音污染[5-7]。2007年，美國Boeing公司宣布在GEnx發(fā)動機(jī)中采用由鑄造Ti-48Al-2Cr-2Nb合金制造的第6和7級低壓渦輪葉片，這是TiAl合金首次應(yīng)用于商用飛機(jī)發(fā)動機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件[8-10]。這種傳統(tǒng)γ-TiAl合金中添加的合金元素種類較少、含量較低，而Al含量較高（原子數(shù)分?jǐn)?shù)為47%～48%），雖然具有塑性、韌性較高的優(yōu)點(diǎn)，但其強(qiáng)度通常都較低，抗蠕變和抗氧化性能不高，使用溫度一般不超過700 ℃，其次，TiAl合金的室溫塑性低、熱成形能力差、熱加工窗口窄一直是限制其廣泛應(yīng)用的主要因素[11-13]。

為了提高γ-TiAl合金的熱加工能力和使用溫度，研究人員通過控制Al含量、添加適量的Nb和Mo等β穩(wěn)定化元素開發(fā)出了β型γ-TiAl合金，該類合金的化學(xué)成分可概括為[2,7-8]：Ti-(42-45)Al-(0-10)- (0-3)-(0-1)-(0-0.5RE)，其中，指Cr，Mn，Nb，Ta等元素；指Mo，W，Hf，Zr等元素；指C，B，Si等元素；RE是指稀土元素。與傳統(tǒng)的γ-TiAl合金相比，β型γ-TiAl合金中Al的原子數(shù)分?jǐn)?shù)通?！?5%，合金化程度較高，因此其強(qiáng)度、抗蠕變及抗氧化性能均有一定程度的提高，顯著提高了TiAl合金的使用溫度上限。此外，由于β穩(wěn)定化元素的引入，合金中含有一定量β/B2相，其在高溫下為BCC結(jié)構(gòu)，能夠提供大量的獨(dú)立滑移系，從而顯著改善合金的熱加工能力，因而該類合金也稱為變形TiAl合金，更適合熱機(jī)械加工。典型代表為由奧地利、德國等國家的多家單位合作開發(fā)出的TNM（Ti-(43-44)Al-4Nb- 1Mo-0.1B）合金[14]，利用該合金鍛造成形的低壓渦輪葉片已在PW1100G型航空發(fā)動機(jī)上獲得應(yīng)用[15]。

在國外，滿足部件尺寸要求的高質(zhì)量TiAl合金擠壓棒材、鍛件和板材均具備工業(yè)化生產(chǎn)能力[1,8,16-17]。我國雖然在TiAl合金軋制板材和大尺寸鍛件制備上有所突破[18-21]，但在工藝穩(wěn)定性和質(zhì)量控制上還有待提高。研究β型γ-TiAl合金熱加工變形行為是設(shè)計(jì)和優(yōu)化熱加工工藝參數(shù)的基礎(chǔ)，當(dāng)前的研究主要集中在2個方面：一方面是以優(yōu)化熱加工工藝參數(shù)為目標(biāo)，通過熱加工過程中應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，構(gòu)建熱加工圖以實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)生產(chǎn)應(yīng)用的目的；另一方面是以TiAl合金在熱加工過程中組織演化及動態(tài)再結(jié)晶為主的機(jī)理性研究。對于熱加工圖的建立，其研究過程是結(jié)構(gòu)化的，有固定的模式，但對于機(jī)理性的研究則相對復(fù)雜而抽象。研究TiAl合金熱機(jī)械加工過程中的基礎(chǔ)問題，包括組織演變與動態(tài)再結(jié)晶機(jī)制等，可為合理制定熱機(jī)械加工工藝提供強(qiáng)有力的指導(dǎo)作用，從而促進(jìn)我國β型γ-TiAl合金向工程化應(yīng)用的發(fā)展。目前，相關(guān)學(xué)者針對β型γ-TiAl合金的變形機(jī)制及其組織調(diào)控方法進(jìn)行了大量的科學(xué)研究，由于β型γ-TiAl合金成分的多樣性，熱加工工藝參數(shù)的選擇也各不相同，因此研究內(nèi)容比較分散。事實(shí)上，TiAl合金熱機(jī)械加工過程中的組織演變與再結(jié)晶機(jī)制主要與變形溫度下的相組成及組織狀態(tài)有關(guān)，因此文中以β型γ-TiAl合金的變形溫度為參照，系統(tǒng)總結(jié)近年來不同初始組織在熱機(jī)械加工過程中的組織演化、動態(tài)再結(jié)晶機(jī)制以及熱/力誘導(dǎo)相變等，期望通過深入理解TiAl合金熱變形過程中的基礎(chǔ)問題，以此指導(dǎo)和控制工業(yè)尺寸TiAl合金的加工成形過程，制備大尺寸、高質(zhì)量的TiAl合金材料。

1 β型γ-TiAl合金中各相的變形機(jī)制

圖1 TNM合金體系的偽二元相圖[22]與TNM合金的鑄態(tài)組織

2 熱變形過程中的組織演變規(guī)律及動態(tài)再結(jié)晶行為

2.1 熱加工溫度低于Tγ,solv

值得注意的是，TiAl合金片層組織在變形過程中存在明顯的各向異性，據(jù)此可將其分為3種典型的取向：① 當(dāng)片層界面平行于應(yīng)力軸時(shí)，為硬取向I；② 片層界面垂直于應(yīng)力軸時(shí)，為硬取向Ⅱ；③ 片層界面與應(yīng)力軸傾斜時(shí)，處于軟取向。軟取向片層團(tuán)內(nèi)產(chǎn)生的位錯可在片層內(nèi)滑移，與片層界面的交互作用小，因而位錯的滑移程長，只能在一個區(qū)域內(nèi)堆積或在片層團(tuán)邊界處堆積，故動態(tài)再結(jié)晶通常優(yōu)先從片層團(tuán)邊界處開始，然而硬取向I反而是最有利于動態(tài)再結(jié)晶的[24,30]。在這種情況下，交叉孿晶可被大量激活，其剪切方向與片層界面成一定夾角，需要穿過片層界面繼續(xù)進(jìn)行剪切，但是片層界面對孿生的剪切變形具有強(qiáng)烈的阻礙作用，相應(yīng)地就會導(dǎo)致在剪切帶的前端存在較高的約束應(yīng)力，進(jìn)而激活其他的滑移系，這種變形孿晶、位錯和界面的交互作用可為動態(tài)再結(jié)晶提供更多形核質(zhì)點(diǎn)。CHENG等[27]指出片層扭折和彎曲變形也多發(fā)生在硬取向I的片層團(tuán)內(nèi)，通過扭折帶的建立，可將硬取向I的片層團(tuán)分解成多個軟取向的區(qū)域，甚至變成硬取向Ⅱ的片層團(tuán)。硬取向Ⅱ的片層團(tuán)為最穩(wěn)定的取向，位錯滑移很難激活，雖然可產(chǎn)生變形孿晶，但無法形成交叉孿晶[24]，變形組織中殘余的片層團(tuán)均表現(xiàn)為該取向。

圖2 TiAl合金中(α+γ)片層組織在熱機(jī)械加工過程中的組織演化機(jī)制[24-27]

部分研究[25,31]也對（α+γ）片層團(tuán)中γ相和α相的動態(tài)再結(jié)晶分別展開了討論，指出γ相的堆垛層錯能（SFE）較低，而α相的堆垛層錯能相對較高，具有低層錯能的γ相容易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，而高層錯能的α相有利于發(fā)生動態(tài)回復(fù)，直到局部應(yīng)變達(dá)到其動態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變。因此，γ板條比α板條更容易發(fā)生再結(jié)晶，當(dāng)γ板條發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶形成細(xì)小的動態(tài)再結(jié)晶晶粒時(shí)，α板條內(nèi)部僅形成少量的小角度晶界或者亞晶界，發(fā)生彎曲變形，但在片層結(jié)構(gòu)中仍處于板條狀態(tài)。因而，隨著變形溫度的升高，α相的體積分?jǐn)?shù)和片層間距逐漸增加，片層團(tuán)越難發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，導(dǎo)致殘余片層團(tuán)數(shù)量增加[24-26]。反之，若變形溫度降低，熱激活能減少，變形抗力增大，也會導(dǎo)致材料發(fā)生破壞，因而合理選擇變形溫度至關(guān)重要。

β相通常以塊狀形式殘存于片層團(tuán)的邊界處，對TiAl合金的熱變形存在顯著的影響。眾所周知，β相在高溫下比α相和γ相軟，為BCC結(jié)構(gòu)，具有足夠數(shù)量的獨(dú)立滑移系，可充當(dāng)潤滑劑的作用，能夠協(xié)調(diào)不同取向片層團(tuán)之間的變形來釋放局部的應(yīng)力集中，同時(shí)還可以為片層團(tuán)的轉(zhuǎn)動提供空間，從而大大改善TiAl合金的熱加工性[30,32-33]。LIU等[34]研究指出，雖然β相對TiAl合金的熱成形有利，但是由于高溫下β相比γ和α相更易變形，大量的應(yīng)變能集中在β相上，降低了作用在其他兩相上的應(yīng)變能，即降低了γ和α相動態(tài)再結(jié)晶的驅(qū)動力，一定程度上抑制了其再結(jié)晶的發(fā)生，這也是含β相TiAl合金激活能的值較兩相TiAl合金高的一個原因。相同應(yīng)變量下，含β相的TiAl合金中殘余片層團(tuán)含量較高，但是由于合金變形能力的改善，可以通過增加變形量來獲得動態(tài)再結(jié)晶充分的組織。此外，添加Cr和Mo等合金元素引入β相的同時(shí)也會降低γ相的堆垛層錯能，促進(jìn)其孿生變形機(jī)制的發(fā)生[30,32]。對于β相本身的變形而言，在相同變形量、采用高應(yīng)變速率的壓縮條件下，β相通常呈連續(xù)長條狀分布在片層團(tuán)邊界，無球化及再結(jié)晶特征；而在低應(yīng)變速率下，由于高溫變形時(shí)間延長，晶界β相會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶并破碎球化，并與再結(jié)晶等軸γ相共同分布在殘余片層團(tuán)邊界形成鏈狀組織。由于β相的層錯能較高，首先傾向于發(fā)生動態(tài)回復(fù)，使位錯發(fā)生重排，形成亞晶；隨著變形加劇，小角晶界不斷吸收位錯，增大取向差，逐漸演變?yōu)榇蠼蔷Ы纾纬尚碌膭討B(tài)再結(jié)晶β晶粒[28,35]，即發(fā)生連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶。

綜上，β型γ-TiAl合金在低于γ,solv進(jìn)行熱機(jī)械加工時(shí)，其變形組織通常由再結(jié)晶的等軸γ晶粒、再結(jié)晶的等軸α晶粒冷卻后形成的片層團(tuán)、被拉長的β相以及殘余的粗大片層團(tuán)組成。這種殘余片層團(tuán)的存在歸結(jié)于片層團(tuán)的強(qiáng)烈各向異性，通過減小初始片層團(tuán)尺寸、增加γ片層間距、合理選擇變形溫度并以相對高的應(yīng)變速率進(jìn)行多道次加工，有望減少殘余片層團(tuán)的數(shù)量。

2.2 熱加工溫度高于Tγ,solv

圖3 Ti-44.81Al-3.96Nb-0.98Mo-0.15B (原子數(shù)分?jǐn)?shù))合金在1280 ℃(α單相區(qū))單軸壓縮過程中高溫α相的連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶行為[42]

CLEMENS團(tuán)隊(duì)[31,43]利用原位高能X射線衍射技術(shù)研究了TNM合金在（α+β）相區(qū)的變形行為，根據(jù)變形過程中α相衍射峰的變化情況指出其經(jīng)歷了動態(tài)回復(fù)和連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶，同樣地，β相在變形過程中也經(jīng)歷了一個動態(tài)回復(fù)的過程。β相的存在勢必也會影響α相的變形行為，一方面，軟質(zhì)β相可協(xié)調(diào)部分應(yīng)變，減少α相內(nèi)所承受的應(yīng)變，降低α相動態(tài)再結(jié)晶的驅(qū)動力，因而需要增加變形量來促使α相發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶；另一方面，β相的存在可有效抑制α晶粒的長大[44]。然而，也有研究表明[45]，TNM合金在（α+β）兩相區(qū)進(jìn)行快速大擠壓變形時(shí)，組織表現(xiàn)出明顯的不均勻性，除了變形后被拉長的β條帶之外，顯微組織中還存在著微納尺度的β顆粒，如圖4所示。這些β顆?？煞譃?種：一種為晶間β顆粒，其至少與一個相鄰的α晶粒符合Burgers取向關(guān)系；另一種為晶內(nèi)β顆粒，其與基體α晶粒不存在任何特定取向關(guān)系。這是由于在快速大變形條件下產(chǎn)生了絕熱升溫，一方面誘導(dǎo)了α→β相變，該相變優(yōu)先在α晶界處發(fā)生，產(chǎn)生晶間β顆粒；另一方面，絕熱升溫也會造成α晶粒異常生長，當(dāng)α晶粒發(fā)生異常長大時(shí)，就會吞并相鄰細(xì)小的α晶粒以及晶間β顆粒，因而產(chǎn)生了這種與基體α晶粒沒有任何特定取向關(guān)系的晶內(nèi)β顆粒。這種晶內(nèi)β顆粒若在冷卻過程中通過成分?jǐn)U散被溶解，則不會對合金性能產(chǎn)生影響；但若保留下來，則會影響冷卻過程中γ片層的析出，破壞片層組織的完整性，損害合金性能。因此，在熱機(jī)械加工過程中，尤其是快速大變形條件下，還需合理選擇變形溫度，避免由于絕熱升溫造成類似的組織不均勻性。

圖4 TNM合金在(α+β)兩相區(qū)快速大擠壓變形過程中絕熱升溫誘導(dǎo)α→β相變以及晶粒異常長大吞并第二相的現(xiàn)象[45]

3 結(jié)語與展望

TiAl合金作為一種新型高溫結(jié)構(gòu)材料，憑借其優(yōu)異的高溫性能，已在國外多種型號的主流航空發(fā)動機(jī)上獲得應(yīng)用。近些年來，相關(guān)學(xué)者針對β型γ-TiAl合金在熱機(jī)械加工過程中的組織演變及潛在的動態(tài)再結(jié)晶機(jī)制進(jìn)行了大量的研究，從而為β型γ-TiAl合金組織調(diào)控方法以及工業(yè)化加工成形等奠定了重要的理論基礎(chǔ)。然而，β型γ-TiAl合金的變形機(jī)制較為復(fù)雜，再加上多種相變行為的干擾，其組織演變規(guī)律難以厘清，目前仍有許多方面值得系統(tǒng)研究。

1）針對β型γ-TiAl合金中（α/α2+γ）片層團(tuán)的變形行為，雖有研究分別討論了α2相和γ相各自的再結(jié)晶行為，但這兩相之間如何協(xié)調(diào)變形尚不清楚。此外，γ/γ界面以及α2/γ界面對位錯滑移的阻礙程度可能不同，從而影響合金的變形行為，這些方面仍缺乏細(xì)致研究。

2）針對γ,solv轉(zhuǎn)變溫度之上的熱變形，目前的研究相對較少，高溫α相變形過程中的位錯運(yùn)動情況無法通過直觀的手段進(jìn)行觀察，其潛在的變形機(jī)制尚需驗(yàn)證。因此，需設(shè)計(jì)合適的合金成分及熱加工工藝探明α相的變形機(jī)制。

3）晶體結(jié)構(gòu)本身決定了α相的變形行為存在著明顯的各向異性，往往會產(chǎn)生不均勻的組織，那么晶間β相的存在對α相變形組織均勻性的影響到底是利是弊，是否可以通過控制初始組織中β相的含量來獲得一個均勻的變形組織等，這些均需進(jìn)一步研究。

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Microstructure Evolution and Dynamic Recrystallization Behavior in β-Solidifying γ-TiAl during Thermomechanical Processing

QIANG Feng-ming, KOU Hong-chao, JIA Meng-yu, TANG Bin, LI Jin-shan

(State Key Laboratory of Solidification Processing, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China)

Due to the low density, high specific strength and good creep resistance at high temperature, TiAl alloys have been successfully used in aero-engines. Through introduction of high content of β-stabilizing alloying elements, the advanced β-type γ-TiAl alloys possess improved thermal workability and are more suitable for thermomechanical processing. A thorough understanding of the microstructure evolution and deformation mechanism of the β-type γ-TiAl alloys during thermomechanical processing is the prerequisite for formulating and optimizing the processing parameters. Therefore, the microstructure evolution and dynamic recrystallization mechanism of β-type γ-TiAl alloys with different initial microstructures during thermomechanical processing were reviewed and discussed. It was pointed out that when the thermal processing temperature was lower thanγ,solv, the microstructure evolution was mainly related to the fragmentation of the α2/γ lamellar colonies. When the thermal processing temperature was higher thanγ,solv, the microstructure evolution was mainly related to the dynamic recrystallization of the α phase. Besides, the effects β phase on the α2/γ lamellar colonies and the dynamic recrystallization of the α phase were analyzed. The fundamental issues related to β-type γ-TiAl alloys during thermomechanical processing are summarized prospected.

TiAl alloys; thermomechanical processing; deformation behavior; recrystallization; microstructure evolution

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.01.002

TG146

A

1674-6457(2022)01-0011-08

2021-12-09

強(qiáng)鳳鳴（1992—），女，博士生，主要研究方向?yàn)殁佷X合金及其組織調(diào)控技術(shù)。

寇宏超（1973—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)楦咝阅茆伜辖鸺捌渲苽涑尚渭夹g(shù)。