简介概要

TC17钛合金连续冷却转变曲线研究

来源期刊：稀有金属2019年第12期

论文作者：蔡馨雷旻万明攀赵飞黄朝文温鑫

文章页码：1291 - 1296

关键词：TC17钛合金;膨胀曲线;CCT曲线;组织演变;激活能;

摘要：以TC17钛合金为研究对象,采用高精度差分膨胀仪B?hr DIL805A/D获得了TC17钛合金在不同冷却速度下的膨胀曲线。利用导数法获得TC17钛合金在不同冷却速度下的转变开始点及结束点,建立了TC17钛合金的连续冷却转变曲线（CCT）,并结合扫描电镜（SEM）、物相分析（XRD）和显微硬度分析,研究了在连续冷却过程中TC17钛合金组织演变及力学性能。结果表明:在低的冷却速度下TC17钛合金的显微组织为α+β片层组织。当冷却速度小于0.50℃·s^-1时,获得全部的片状α相和β相组织,当冷却速度为0.35～3.00℃·s^-1时在合金中观察到α+β针状结构及未转变的亚稳β相。当冷却速度为3.50℃·s^-1时,合金仅由单一亚稳β相组成。故3.50℃·s^-1被认为是合金在连续冷却条件下临界冷却速度。随着冷却速度的增加TC17钛合金的显微硬度呈先增后减的趋势,在冷却速度为0.50℃·s^-1时,显微硬度达到最大为HV 436。最后利用Kissinger方程计算得出了加热过程中TC17钛合金β→α+β相变激活能为218.447 kJ·mol^-1。

网络首发时间: 2018-11-01 09:18

稀有金属 2019,43(12),1291-1296 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy18080037

TC17钛合金连续冷却转变曲线研究

蔡馨雷旻万明攀赵飞黄朝文温鑫

摘要：

以TC17钛合金为研究对象,采用高精度差分膨胀仪B?hr DIL805A/D获得了TC17钛合金在不同冷却速度下的膨胀曲线。利用导数法获得TC17钛合金在不同冷却速度下的转变开始点及结束点,建立了TC17钛合金的连续冷却转变曲线(CCT),并结合扫描电镜(SEM)、物相分析(XRD)和显微硬度分析,研究了在连续冷却过程中TC17钛合金组织演变及力学性能。结果表明:在低的冷却速度下TC17钛合金的显微组织为α+β片层组织。当冷却速度小于0.50℃·s^-1时,获得全部的片状α相和β相组织,当冷却速度为0.35～3.00℃·s^-1时在合金中观察到α+β针状结构及未转变的亚稳β相。当冷却速度为3.50℃·s^-1时,合金仅由单一亚稳β相组成。故3.50℃·s^-1被认为是合金在连续冷却条件下临界冷却速度。随着冷却速度的增加TC17钛合金的显微硬度呈先增后减的趋势,在冷却速度为0.50℃·s^-1时,显微硬度达到最大为HV 436。最后利用Kissinger方程计算得出了加热过程中TC17钛合金β→α+β相变激活能为218.447 kJ·mol^-1。

关键词：

TC17钛合金;膨胀曲线;CCT曲线;组织演变;激活能;

中图分类号： TG146.23

作者简介：蔡馨(1994-),女,贵州黔西人,硕士研究生,研究方向:高性能钛合金;E-mail:18786690021@163.com;;*雷旻,教授;电话:15685172816;E-mail:amin_am@163.com;

收稿日期：2018-08-23

基金：贵州省科技支撑计划项目([2017]2313);贵州省科学技术基金项目(20171023);贵州省教育厅青年科技人才成长项目(2016122);贵州大学引进人才科研项目(201633)资助;

Continuous Cooling Transformation Diagram of TC17 Titanium Alloy

Cai Xin Lei Ming Wan Mingpan Zhao Fei Huang Chaowen Wen Xin

Key Laboratory for Mechanical Behavior and Microstructure of Materials,College of Materials and Metallurgy,Guizhou University

Abstract：

The effects of continuous cooling rates on the microstructure and mechanical properties of TC17 titanium alloy were investigated. Dilatometric curves of TC17 titanium alloy under different cooling rates were measured by high differential dilatometry B?hr DIL805 A/D. Using the derivative method to obtain the beginning and end points of TC17 titanium alloy at different cooling rates, to establish a continuous cooling transformation(CCT) diagram of TC17 titanium alloy. The effect of cooling rate on microstructure evolution and mechanical properties of TC17 alloy was studied by scanning electric microscopy(SEM), X-ray diffraction(XRD) and micro-hardness analysis. The results showed that the microstructure of TC17 was the α+β structure at the low cooling rate, When the cooling rate was less than 0.50 ℃·s^-1, all the lamellar α phase and β phase structure were obtained, when the cooling rates was from 0.35 to 3.00 ℃·s^-1, the β→α+β+β_m phase transformation and lamellar structure and untransformed metastable β phase were observed in the alloy, when the cooling rate exceeded 3.50 ℃·s^-1, the alloy was only composed of a single metastable β phase. Thus, a rate of 3.50 ℃·s^-1 was considered as critical cooling rate of the alloy under continuous cooling condition. The micro-hardness of TC17 alloy initially increased and then decreased with increasing of the cooling rate, and at cooling rate of 0.50 ℃·s^-1, the micro-hardness reached a maximum of HV 436. The activation energy for the β→α+β phase transformation in TC17 alloy was evaluated on the basis of Kissinger equation, and the value was 218.447 kJ·mol^-1.

Keyword：

TC17 alloy; dilatometric curves; CCT curves; microstructure evolution; activation energy;

Received： 2018-08-23

Ti-17钛合金是一种富β稳定元素的α+β型高强钛合金, 中国牌号为TC17, 名义成分为Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr。由于添加了β稳定元素钼和铬, 显著提高了合金的淬透性及热稳定性。它具有高强度、高韧性和高淬透性及锻造温度宽等优点, 适于制造发动机风扇及压气机盘等锻件, 并能在430 ℃以下长期工作 ^{[1,3,4,5,6,7]} 。国内外学者围绕该合金锻造工艺、组织演化和力学性能等开展了一系列的研究 ^{[1,2,4,5,6,7,8]} 。精确控制钛合金显微组织来获得优异的力学性能是关键技术手段。冷却是决定钛合金显微组织的重要方式。 TC17合金在连续冷却过程中亚稳β相将转变为α相或保留至室温 ^[3,4,5] 。而连续冷却转变曲线(CCT)能够反映合金在连续冷却过程中相变规律 ^{[9,10,11,12,13]} 。虽然国内外对TC17合金的相变组织开展了一些研究 ^{[1,3,4,5,6,7,9]} , 但都未给出具体的TC17合金的CCT曲线。因此研究TC17钛合金在连续冷却过程中相变和测定其CCT曲线十分重要。膨胀法作为相变的一种有效方法已应用于钛合金相变研究 ^{[12,13,14,15,16,17,18]} 。本文采用膨胀法研究了连续冷却过程中TC17合金相变和组织演变, 计算了合金在连续冷却过程中β_m→α+β相变激活能, 并建立TC17合金在连续冷却过程中的CCT曲线, 为制定TC17合金的热加工艺提供了理论依据。

1 实验材料与方法

实验原材料来自某企业提供的TC17盘件, 利用线切割机从盘件上截取Φ4 mm×10 mm的试样。合金的原始组织如图1所示, 为典型的网篮状组织。连续冷却膨胀实验在B?hr DIL805A/D高精度差分膨胀仪(加热速率可达4000 K·s^-1及急冷速率为2000 K·s^-1, 控制温度为±0.1 ℃·s^-1)上进行。加热和保温过程的真空度为5.0×10^-5 Pa, 冷却介质选用高纯Ar气(99.999%)。将试样以1 ℃·s^-1加热到1000 ℃保温15 min后以0.10, 0.20, 0.35, 0.50, 1.00, 1.50, 2.00, 3.00, 3.50 ℃·s^-1的速度冷却到室温, 获得冷却膨胀曲线。再将试样以冷速为0.10 ℃·s^-1分别冷却730, 660, 600, 570 ℃后淬火到室温, 观察分析显微组织变化规律。将处理后的试样磨制、抛光, 制成金相试样。抛光在电解抛光腐蚀仪(EP-3000)进行, 电解抛光液配比为HClO₄∶(CH₂OH)₂∶CH₃OH=1∶2∶7(体积比)。然后采用HF∶HNO₃∶H₂O=1∶2∶5(体积比)配比溶液进行腐蚀, 在Leica DMI5000M金相显微镜(OM)和Zeiss SUPRA40扫描电镜(SEM)上进行观察和分析, 并采用MICROHARDNESS TESTER HV-1000维氏硬度计对试样进行硬度测试, 测试10个点, 取平均值。

图1 TC17合金的原始组织

Fig.1 Optical microstructure of the TC17 alloy

2 结果与讨论

2.1 连续冷却时的膨胀曲线

图2为TC17钛合金以1 ℃·s^-1加热到1000 ℃保温15 min后以0.10, 0.20 ℃·s^-1冷却后的膨胀曲线。由图2可知TC17钛合金在不同冷速的连续冷却过程中呈相同的变化趋势。以冷却速度为0.10 ℃·s^-1的冷却曲线(图2(a))为例, 说明TC17钛合金在冷却过程中的膨胀曲线变化情况。因为TC17钛合金从β相区连续冷却到室温过程会发生β_m→α+β相变, 而α相和β相的晶格结构和晶格常数不同又势必引起TC17钛合金的体积变化, 即宏观上表现为TC17钛合金的膨胀曲线的变化。从膨胀曲线上可以看出, 随着温度的降低, TC17合金逐渐呈线性收缩, 当冷却到685 ℃时, 收缩率增大。对膨胀曲线进行求导发现TC17合金在570～730 ℃温度范围内有明显的变化。即可以确定冷却速度一定时的TC17钛合金的相变特征点, 以膨胀曲线一阶导数发生明显变化时对应的温度作为相变的开始点A(730 ℃)和结束点B(570 ℃)。

图2 TC17合金在不同冷却速度的热膨胀曲线

Fig.2 Dilatometric curves of the TC17 alloy measured at different cooling rate

(a)0.10℃·s^-1;(b)0.20℃·s^-1

2.2 冷却速度对显微组织的影响

图3为TC17钛合金加热到1000 ℃保温 15 min 后以不同冷却速度连续冷却到室温获得的显微组织。结合TC17合金在不同冷速到室温的XRD图谱(图4)可知, 冷却速度对TC17钛合金的显微组织有显著影响。

当冷却速度为0.20 ℃·s^-1时, TC17钛合金获得典型的魏氏组织(图3(a)), 在原β晶界上析出连续分布的α相(图3(a)中的颜色较深部分), β晶粒内分布着α片状或针状组织(称为α集束)。晶界附近的α集束是从晶界向晶内生长获得, 在一个集束内的α相的厚度也各不同, 这是由于合金在冷却的过程中, 先形成α片显得粗大, 后形成α片细小。当冷速为0.50 ℃·s^-1时, β相晶界上析出α相不明显, 在晶内也析出了部分针状α相(图3(b))。与冷速为0.20 ℃·s^-1的显微组织相比, 获得的α相的厚度明显减小, 长宽比明显增大, 出现了未转变的β相。当冷却速度为1.50 ℃·s^-1时, 合金的显微组织主要由β相组成, 只在原β晶界上析出了少量的针状α, 而在晶内的局部区域析出了少量的针状α相(图3(c))。当冷却速度继续增加时TC17合金中保留下来的β相的体积分数越来越多, 甚至全部获得β相。这主要是因为TC17中含有较多的β稳定元素, 抑制β相在冷却过程中发生相变, 而获得亚稳β相。当冷却速度为3.50 ℃·s^-1, TC17合金的显微组织基本为全部的亚稳β相(图3(d))。从TC17钛合金在不同冷却速率下的XRD衍射结果发现, XRD图谱中只存在α和β衍射峰, 且随着冷却速度的增加, α相的衍射峰的强度逐渐减弱, 这与显微组织的观察结果保持一致。因此把3.50 ℃·s^-1作为TC17合金的临界冷却速度。

图3 不同冷却速度下的TC17钛合金的显微组织

Fig.3 Microstructure of TC17 alloy cooled at different cooling rate

(a)0.20℃·s^-1;(b)0.50℃·s^-1;(c)1.50℃·s^-1;(d)3.50℃·s^-1

图4 不同冷却速度下试样的XRD图谱

Fig.4 XRD patterns of test samples at different cooling rates

图5为TC17钛合金以0.10 ℃·s^-1的冷却速度从高温β相分别冷却到730, 660, 600, 570 ℃再以80 ℃·s^-1快速冷却室温得到的金相组织。由图5(a)可知, TC17在连续冷却过程中, 当温度冷却到730 ℃时, 在原β晶界上已经开始析出少量的α相, 说明此时已经发生了β_m→α+β相变。温度冷却到660 ℃时, 晶界α相逐渐向晶内生长形成α集束, 但有一定的β未转变。随着温度继续下降, 过冷度增大, α相形核时所需的形核功降低, 形核数量逐渐增多, α片排列越紧密(图5(c))。当温度降低到570 ℃时, 合金的显微组织几乎全部为片层组织(图5(d)), 说明此时β_m→α+β相变完全转变完成。因此可以确定当冷却速度为0.10 ℃·s^-1时, TC17钛合金的相变开始和结束温度分别为730和570 ℃。

图5 冷却速度为0.10 ℃·s-1时不同温度点淬火下的显微组织

Fig.5 Microstructure of TC17 alloy quenched at different temperatures with the cooling rate of 0.10 ℃·s^-1

(a)730℃;(b)660℃;(c)600℃;(d)570℃

2.3 冷却速度对合金显微硬度的影响

图6为TC17钛合金的显微硬度随之冷却速度的变化趋势。从图中6可以看出, TC17钛合金的显微硬度随着冷却速度的增大呈现出先增后减的趋势。

当冷却速度小于0.50 ℃·s^-1时, 合金的显微硬度随着冷却速度的增大而增大, 当冷却速度为0.50 ℃·s^-1, 合金的显微硬度达到最大; 冷却速度大于0.50 ℃·s^-1时, 硬度随着冷却速度的增大逐渐下降。这是由于TC17钛合金在小于0.50 ℃·s^-1,条件下获得片状或针状α+β双态组织。当冷却速度逐渐增加时, α相的厚度逐渐减少, α/β相界面增多从而增大了位错运动的阻力, 性能上表现为显微硬度增大。当冷却速度大于0.50 ℃·s^-1时, 因β稳定元素的作用使β相中析出的α相数量逐渐少, α/β相界面相应减少。另外, β相为体心立方结构, 塑性变形能力较好, 从而导致合金的显微硬度逐渐降低。

图6 冷却速度对TC17钛合金显微硬度的影响曲线

Fig.6 Effect of cooling rates on micro-hardness of TC17 alloy

2.4 CCT曲线的测定

根据TC17钛合金在不同冷却速度下的膨胀曲线, 利用导数法找到不同冷速下的相变开始和终了温度点, 结合显微组织及硬度分析, 绘制出TC17钛合金的连续冷却转变动力学曲线即CCT曲线如图7所示。如图7所示, α相的析出主要发生在中温区域, 当冷却速度低于0.50 ℃·s^-1时, 可获得由α和β相组成的组织; 由于TC17合金中含有较多的β稳定元素, 当冷却速度高于3.50 ℃·s^-1时, 获得全部的亚稳β相。因此把3.50 ℃·s^-1认为是TC17合金在连续冷却过程中的临界冷却速度。

2.5 相变激活能

相变激活能在一定程度上能反映相变机制, 它是相变进行需要越过的能垒, 包括新相的形核驱动力和长大驱动力, 计算相变激活能有一定的理论意义 ^{[13,14,15,19]} 。根据Boltzmann方程, 相变激活能决定了冷却过程中相变的形核率 ^[20] , 将对C曲线的位置和形状产生影响。 TC17合金在连续冷却时发生β→α+β相变时需要相变自由能差, 而且还需克服的原子间引力而产生的相变势垒即需要一定的相变激活能Q才能发生。因此, TC17合金β_m→α+β相变激活能Q、相变开始时转变速率变化最大处所对应的温度(T_β)和冷却速度H(K·s^-1)之间的关系可用Kissinger方程 ^{[15,16,17,18]} 表示:

图7 TC17钛合金的连续冷却转变曲线

Fig.7 Continuous cooling transformation (CCT) curves of TC17 alloy

式中k₀和R分别为JMA方程的指数因子和气体常数8.3143 kJ·mol^-1·K^-1。根据TC17钛合金的0.10, 0.20, 0.35, 0.50 ℃·s^-1冷却膨胀曲线可以确定冷却过程中相变开始时转变速率变化最大处所对应的温度T_β, 在不同冷却速度下的T_β如表1所示。

由式(1)可知, 由于需要计算冷却过程中的β→α+β相变激活能, 故拟合的关于1/T_β-T /H的直线(图8), 其斜率应为-Q/R。通过线性拟合求得TC17合金冷却过程中β_m→α+β相变发生需要的相变激活能为218.447 kJ·mol^-1。低于亚稳钛合金--Ti-B19合金的相变激活能(417.415 kJ·mol^-1), 原因是Ti-B19合金的[Mo]_eq=15 ^[19] , 而Ti-17合金的[Mo]_eq=10.7, 这是该合金相变激活能低的原因, 也是CCT曲线中临界冷却速度较快的原因。