Ti9148 鈦合金β-相晶粒長(zhǎng)大行為

吝媛，楊奇，黃拓，楊曉龍，劉偉，李夢(mèng)

（寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

0 引言

Ti9148 鈦合金是寶雞鈦業(yè)股份有限公司自主研發(fā)的一種新型生物醫(yī)用亞穩(wěn)β-型鈦合金，其成分為T(mén)i-19Nb-1.5Mo-4Zr-7.9Sn。與傳統(tǒng)α+β 型鈦合金T-6Al-4V 相比，Ti9148 合金不含過(guò)敏或有毒元素，具有彈性模量低、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，有望應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[1-5]。

眾所周知，晶粒尺寸對(duì)材料的強(qiáng)度和塑性、變形機(jī)制以及第二相析出等有較大的影響[6-12]。Ti9148 合金在較低溫度時(shí)效時(shí)，亞穩(wěn)相（如六方α′、正交α′′）可通過(guò)擴(kuò)散型相變轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)渡相六方ω 相，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)棣?相，這些亞穩(wěn)相對(duì)合金強(qiáng)韌性有顯著影響，相析出使合金韌性急劇下降[1]。因此，該合金的鍛造、軋制加熱及中間退火等操作均避免在此溫度區(qū)間進(jìn)行，一般選在β-相區(qū)進(jìn)行。然而，β-相區(qū)加工溫度較高，晶粒易于長(zhǎng)大，因此，為了獲得較理想的組織與性能水平的合金，有必要研究退火溫度和時(shí)間對(duì)合金晶粒長(zhǎng)大的影響規(guī)律，合理控制晶粒尺寸，進(jìn)而為實(shí)際生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料為寶雞鈦業(yè)股份有限公司采用3 次真空自耗電弧熔煉的Ti9148 合金鑄錠，經(jīng)鍛造、熱軋等工藝制得5 mm 厚板材，金相法測(cè)得合金β-相轉(zhuǎn)變溫度為720 ℃。用線(xiàn)切割方法在板材上截取若干5 mm × 10 mm × 15 mm 塊狀試樣，置于箱式電阻爐進(jìn)行固溶淬火實(shí)驗(yàn)，固溶處理溫度選擇750、800、850、900 ℃，保溫時(shí)間選擇10、30、60、120 min，出爐后進(jìn)行水淬處理。熱處理試樣經(jīng)預(yù)磨、拋光及侵蝕后制成金相試樣，侵蝕劑配比為V（HF）∶V（HNO3）∶V（H2O）=1∶3∶7,采用ZEISS AxioVert200MAT 金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀(guān)察，并通過(guò)截線(xiàn)法測(cè)得平均晶粒尺寸D。

2 結(jié)果及討論

2.1 顯微組織演變

圖1 所示為T(mén)i9148 合金在β-相區(qū)不同固溶溫度和保溫時(shí)間下的顯微組織照片，可以看出，經(jīng)過(guò)β-相區(qū)固溶處理后的合金組織均為細(xì)小均勻的等軸組織。在相同保溫時(shí)間下，固溶溫度在750～900 ℃范圍內(nèi)逐漸升高，合金晶粒尺寸急劇增大，如在加熱10 min的試樣中（圖1 中的A1、B1、C1、D1），750 ℃固溶處理后的β-相晶粒尺寸為28 μm，而800、850、900 ℃固溶處理后，β-相晶粒尺寸分別增加到39、59、78 μm。在等溫加熱過(guò)程中，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，晶粒尺寸也呈增大趨勢(shì)，如在900 ℃固溶處理不同時(shí)間后（圖1 中的D1、D2、D3、D4），β-相晶粒尺寸由78 μm 增加到168 μm。

圖1 Ti9148 合金在不同的固溶溫度和保溫時(shí)間下的顯微組織Fig.1 Microstructure of Ti9148 alloy at different solution-treated temperatures and holding times

統(tǒng)計(jì)不同加熱制度下的晶粒尺寸，繪制出了晶粒長(zhǎng)大趨勢(shì)圖。Ti9148 合金β-相晶粒尺寸隨溫度的變化曲線(xiàn)如圖2 所示，在相同的保溫時(shí)間下，隨著固溶溫度升高，β-相晶粒尺寸不斷增大，并且溫度越高，β-相晶粒尺寸增長(zhǎng)速度越快。β-相晶粒長(zhǎng)大是一種集熱激活、擴(kuò)散與界面反應(yīng)于一體的物理冶金過(guò)程，主要表現(xiàn)為晶界的遷移，隨著溫度升高，原子的平均動(dòng)能增加，有助于原子擴(kuò)散和晶界遷移，晶界的平均遷移速率m 與e-Qm/（RT）成正比，其中，m 為晶界的平均遷移速率，Qm為晶界遷移的激活能或原子擴(kuò)散通過(guò)晶界的激活能，R 為氣體常數(shù)，T 為熱力學(xué)溫度[13-16]。由此可見(jiàn)，晶粒尺寸的長(zhǎng)大速率與加熱溫度之間呈現(xiàn)一種指數(shù)關(guān)系，與圖2 中的曲線(xiàn)相吻合。在4 種固溶溫度下，Ti9148 合金β-相晶粒尺寸隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，即晶粒等溫長(zhǎng)大曲線(xiàn)如圖3 所示，在加熱初始階段，β-相晶粒長(zhǎng)大速度較快，超過(guò)30 min 后，晶粒尺寸增長(zhǎng)速度變得平緩。分析其原因，β-相晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力源自界面能的降低，界面能驅(qū)動(dòng)晶界不斷遷移或消失，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，晶粒不斷長(zhǎng)大，晶界向著曲率中心方向移動(dòng)，并不斷平直化，致使“大吞并小”和凹面變平，晶界面積不斷減小，最終，總的界面能下降，晶粒長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力減小，晶粒增長(zhǎng)速度變緩[13]。

圖2 Ti9148 合金β-相晶粒尺寸隨溫度升高的變化曲線(xiàn)Fig.2 The curves of the β-phase grain size of the Ti9148 alloy with increasing temperature

圖3 Ti9148 合金β-相晶粒等溫增長(zhǎng)曲線(xiàn)Fig.3 Isothermal growth curves of β-phase grains in the Ti9148 alloy

2.2 晶粒長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)分析

鈦合金晶粒等溫長(zhǎng)大過(guò)程中，晶粒尺寸與加熱時(shí)間的關(guān)系近似成冪函數(shù)關(guān)系，可用Beck 方程進(jìn)行描述[17-18]：

式（1）中：D 為平均晶粒尺寸，μm；t 為等溫退火時(shí)間，min；n 為晶粒長(zhǎng)大指數(shù)；k 為與成分和溫度有關(guān)的長(zhǎng)大系數(shù)。對(duì)式（1）兩邊取對(duì)數(shù)，可得:

將不同固溶溫度下實(shí)測(cè)的Ti9148 合金晶粒尺寸數(shù)據(jù)代入式（2）中進(jìn)行線(xiàn)性擬合，即可得到圖4 所示的lnD 與lnt 的線(xiàn)性關(guān)系圖，以及不同溫度下的晶粒長(zhǎng)大指數(shù)n，見(jiàn)表1。

表1 不同溫度下的lnk 和n 值Table 1 The lnk and n values at different temperatures

據(jù)文獻(xiàn)[17]報(bào)道，純鈦在β-相區(qū)的晶粒長(zhǎng)大指數(shù)n=0.5[17]，而表1 中計(jì)算出的Ti9148 鈦合金在750～900 ℃的晶粒長(zhǎng)大指數(shù)n 為0.213～0.300。這主要是由于Ti9148 鈦合金含有較多的Nb、Mo、Zr、Sn 等合金元素，因?yàn)榫Ы绲膬?nèi)吸附現(xiàn)象，這些溶質(zhì)原子容易富集在晶界周?chē)?，?dāng)晶界遷移時(shí)，這些溶質(zhì)原子只能以擴(kuò)散速度較慢的體擴(kuò)散進(jìn)行跟隨，造成對(duì)晶界的“釘扎”作用，阻礙晶界移動(dòng)[13,19-21]。

同樣，在一定保溫時(shí)間下，加熱溫度對(duì)晶粒長(zhǎng)大的影響可以采用Arrhenius 方程[13,18,22]進(jìn)行描述:

式（3）中：k0為與成分有關(guān)的長(zhǎng)大系數(shù);Q 為β-相晶粒晶界遷移的長(zhǎng)大激活能;R 為氣體常數(shù)，8.314 J/mol；T 為絕對(duì)溫度，K。將式（3）兩邊取對(duì)數(shù)可得式（4）:

由式（4）可以看出，lnk 與1/T 之間具有線(xiàn)性關(guān)系。因此將表1 中相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（4）進(jìn)行線(xiàn)性擬合，得到如圖5 所示的lnk 與1/T 之間的關(guān)系曲線(xiàn)，根據(jù)擬合結(jié)果可估算出Ti9148 合金晶粒在β-相相區(qū)的長(zhǎng)大激活能Q=32.57 kJ/mol，小于純鈦的β-相自擴(kuò)散激活能Q=166 kJ/mol[23-24]，表明Ti9148 合金在β-相區(qū)加熱具有較高的溫度敏感性，在實(shí)際加工生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制熱處理溫度和保溫時(shí)間。

圖5 Ti9148 合金的lnk-104/T 之間的曲線(xiàn)Fig.5 The lnk-104/T relationship curve of the Ti9148 alloy

3 結(jié)論

1）在相同的保溫時(shí)間下，隨著固溶溫度升高，β-相晶粒尺寸不斷增大，并且溫度越高，增速越快。在等溫加熱過(guò)程中，β-相晶粒尺寸先快速長(zhǎng)大，超過(guò)30 min后，增速變緩。

2）在750、800、850、900 ℃等溫加熱過(guò)程中，β-相晶粒尺寸與加熱時(shí)間近似成冪函數(shù)關(guān)系，根據(jù)Beck 方程擬合出了4 種溫度下的晶粒長(zhǎng)大指數(shù)分別為0.213、0.266、0.285、0.300。

3）Ti9148 鈦合金在β-相區(qū)的晶粒長(zhǎng)大激活能較低，表明在β-相區(qū)加熱對(duì)溫度較敏感。