稀有金属 2004,(01),54-57 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.01.014

Ti-1023钛合金细晶化和组织控制工艺研究

鲍如强 黄旭 郭灵

北京航空材料研究院,北京航空材料研究院,北京航空材料研究院,北京航空材料研究院 北京100095 ,北京100095 ,北京100095 ,北京100095

摘 要：

钛合金的结构特点决定了该类金属不能单纯通过热处理细化晶粒调整组织形态 , 因此适当的变形工艺成为组织控制的有效手段。Ti 10 2 3合金的性能与组织形态、晶粒度有密切关系。通过变形得到了两种典型的近 β合金组织 , 测试分析了两种组织对应的性能 , 讨论了两种工艺得到的组织的优缺点。结果表明 , 采用传统的变形工艺只能得到个别性能突出的传统组织类型 , 如网兰组织、双态组织、等轴组织等 , 同时原始β晶粒大小不均匀 , 容易造成材料性能不均匀。必须采用现代研究手段 , 控制变形温度、变形量、变形火次 , 得到综合上述 3种组织优点的某种过渡组织类型 , 保证Ti 10 2 3合金发挥高强、高韧的综合优势。

关键词：

Ti-1023;钛合金;力学性能;细晶;

中图分类号： TG162

收稿日期：2003-09-15

基金：国防预研项目 ( 4 13 1812 0 1);

Grain Size Fining and Macro/Microstructure Controlling Process of Ti-1023 Titanium Alloy

Abstract：

According to the structure characters of titanium alloys, its grain size can not be made smaller and the structure shape can not be modified through single heat treatment. So appropriate deformation processing becomes the effective means to control the microstructure. The properties of Ti 1023 alloy are nearly relevant to its microstructure and grain size. In order to find the best deformation processing, which can fine the grain size and modify the phase appearance at the same time, two kinds of deformation processing were studied. Two typical microstructures near β titanium alloy were reached. The mechanical properties and the microstructure of the two deformation processing were analyzed. By means of traditional methods, only traditional microstructure type with a certain sood property can be obtained, at the same time, the β grains are uneven, which makes mechanical properties uneven. While on basis of controlling the deforming temperature, deforming degree and deforming time, some type of transitional microstructure, with all virtue of the above microstructure types, may be obtained to ensure the Ti 1023 alloy be of high strength and high toughness.

Keyword：

Ti 1023; titanium alloy; mechanical properties; grain fining;

Received： 2003-09-15

钛合金一般要求宏观组织成毛玻璃状, 显微组织原始β晶粒细小, 没有连续的晶界α相, 并且晶粒内部组织形态要保证综合性能要求。 其中晶粒细小、 晶界破碎是最基本的要求。 根据Hall-Petch关系, 金属的晶粒 (或亚晶) 愈小, 其强度愈高, 实际上细晶化会使合金的强度、 塑性都提高 ^[1] 。 而钛合金由于达到β区前淬火加热使晶粒长大倾向很大和α?β转变时的体积效应不大两方面的原因, 很难应用相重结晶手段达到细化晶粒的目的 ^[2] 。 因此, 合理的热变形工艺就显得尤为重要。

Ti-1023合金是美国上世纪70年代研制成功的一种典型的近β型钛合金 ^[3] , 名义成分Ti-10V-2Fe-3Al。 本文通过研究原始粗晶组织的Ti-1023合金棒材的变形工艺, 分析了不同变形方案下合金显微组织特征, 测试了不同组织下的力学性能。

1 试验材料

试验材料为大规格棒材, 该棒材相变点为803 ℃, 成分如表1所示。

原始棒材为粗晶组织, 晶粒直径在2~5 mm之间 (如图1所示) , 显微组织为经过单相区变形的近β合金组织 (图2) , 其力学性能见表2。 将棒料沿轴向剖开, 取2个四分之一扇形, 倒角后进行变形工艺试验, 分别标记为试块a和试块b。

表1 原始棒材化学成分/ (%, 质量分数) Table 1 Chemical composition of original Ti-1023 bar

元素	Al	Fe	V	C	N	H	O	Y	Ti
ω/%	3.1	1.8	10.2	0.02	0.01	<0.001	0.11	0.001	余量

表2 原始棒材力学性能*Table 2 Mechanical properties of original bar

σb/MPa	σ0.2/MPa	δ5/%	ψ/%	K1C/MPa·m1/2
1187	1147	3.2	6.3	49.43
1177	1129	4.0	11.2	54.31

* 拉伸试样沿弦向, 断裂韧性为C-R方向

图1 棒材宏观组织 Fig.1 Macrostructure of the bar

图2 棒材显微组织 Fig.2 Microstructure of the bar

2 试验过程及结果

Ti-1023钛合金热加工工艺研究表明 ^[4,5] , 该合金适合在慢速变形的压力机上锻造。 本试验采用电炉加热, 在1250 t压力机上变形, 用工艺垫块控制变形程度。 根据相变点以下变形、 相变点以上加热回复再结晶、 之后变形破碎晶粒, 然后相变点以下变形调整晶内组织形态、 晶粒形状的指导原则, 试块a采用两相区变形+β单相区变形的工艺 (工艺a) ; 试块b采用两相区变形+β单相区变形+两相区变形的工艺 (高低高工艺, 工艺b) 。 试块b前2个阶段的变形温度、 变形量与试块a变形工艺相同。

材料变形后, 首先进行了宏观和显微组织分析, 分别见图3和4。 经770 ℃/2 h, WQ+520 ℃/8 h, AC热处理后, 切取横向室温拉伸和S-T向的断裂韧性试样, 拉伸试样工作段d=5 mm, l₀=25 mm, 断裂韧性试样为CT形, 规格为50 mm×48 mm×25 mm, 性能测试结果见表3。

表3 变形后试块力学性能Table 3 Mechanical properties of the bar after deformation

项目	σb/MPa	σ0.2/MPa	δ5/%	ψ/%	K1C/ (MPa·m1/2)
试块a	1304	1230	5.2	13.7	60.23
	1271	1205	3.0	11.0	63.10
试块b	1210	1157	10.0	39.4	60.05
	1233	1189	9.6	33.4	63.69

3 分析讨论

3.1 高低倍组织

按预先设计的工艺热变形后, 试块a的晶粒仍然清晰可辨, 但已由粗大的清晰晶变为细小的清晰晶, 晶界α依然连续完整。 试块b则由粗大的清晰晶变为细小的毛玻璃状模糊晶。 显微组织转化成典型的初生α颗粒均匀分布在时效基体上的组织形态, 晶界α已完全断开, 部分初生α相发生了球化。 两种工艺都达到了细化晶粒的目的, 说明经过两相区变形, 晶粒发生扭曲变形或破碎, 积累一定的畸变能, 随后加热到β单相区的过程中发生回复、 再结晶、 多边形化, 晶粒尺寸比原始材料大大减小。

在再结晶晶粒没有急剧长大以前, 开始β单相区变形, 晶粒再次破碎, 随后冷却过程中发生再结晶, 晶粒进一步细化, 得到试块a的组织形态。 再加热到两相区时, 没有再结晶发生, 晶粒内部初生α相的数量和尺寸因温度不同而发生一定的变化, 接下来的变形主要是使晶界α破碎, 变形量足够大时得到试块b的组织形态。

3.2 力学性能和断口分析

一般讲, 单相区锻造的钛合金性能特点是在同样的热处理制度下, 其强度比两相区变形的高、 塑性和韧性显著的低。 试验中, 试块a的最高强度比试块b的最低强度值高出7.8%, 但试块a的延伸率和断面收缩率最低值分别比试块b的最高值低70%和72.8%。 这种强度差别不大, 塑性差别显著的现象归根结底是由两种工艺的微观组织不同造成的。

断口观察表明, 试块a主要发生沿晶断裂, 试块b主要为穿晶断裂。 图5是断口典型区域的扫描电镜照片, a试样的韧窝浅而密集, b试样的韧窝大而深, 从而对应了不同的塑性。 一般而言, 金属的晶粒边界是强度较低的区域, 工艺a的强度比工艺b的高却主要是沿晶破断, 是因为材料的强度性能不是由晶界一个因素决定的。 晶粒之间结合强度的高低要与晶内强度做比较, 不能在不同晶内组织类型之间作比较。 本试验中, 试块a的晶内主要为片状组织, 晶界是完整而连续的α相的包覆物。

已知钛合金中的β相为体心立方结构, 与面心立方的α相相比, 滑移系很多, 位错开动容易, 为合金中的软相。 材料拉伸发生塑性变形时表示内部有位错的开动、 滑移、 增殖, 在晶粒内部, 位错移动遇到α相这个障碍物时, 要么绕过它, 要么切

图3 试块宏观组织 Fig.3 Macrostructure of the specimens

图4 试块显微组织 Fig.4 Microstructure of the specimens

图5 试块a和试块b的拉伸断口形貌 Fig.5 Tensile SEM fractographs of specimens

过它, 否则就在相界面造成位错塞积。 由于单相区变形的试块a中初生α相成片状, 尺寸很大, 且取向有一定的交织, 造成位错很难切过α相继续迁移。 当外力增大到一定程度, 晶界上的α相与β相之间的过渡区成为薄弱环节, 在晶界发生开裂。 而试块b的晶内组织很细, 晶界已经完全破碎, 位错移动时可绕过部分尺寸小的α颗粒继续移动, 从而强度比试块a的偏低, 塑性却大幅度提高。

虽然近β钛合金的平衡α含量低于α+β两相钛合金和近α钛合金, 但组织类型的分类方法是通用的, 因此组织性能关系也应有相同的规律。 例如两相钛合金的典型网兰组织强度高、 塑性低、 高频疲劳极限高, 双态组织和等轴组织的与之相反。 如果能控制变形工艺, 得到结合网兰组织和双态组织两者优点的显微组织, 即某种类型的过渡组织, 则合金的综合性能就会得到保证。 对本文的Ti-1023合金, 工艺a的组织可与α+β两相钛合金的网兰组织类比, 工艺b的则相当于两相钛合金过渡类型的组织。 试块b的组织形态已符合最佳性能特征, 但工艺还需调整以保证晶粒的均匀性。

4 结 论

工艺a可使Ti-1023合金的晶粒细化, 但不能保证晶粒的均匀性和晶界破碎; 工艺b不但可细化晶粒, 还能很好地破碎晶界初生α相, 调整晶粒内部第二相的形态、 分布, 得到的组织已经具备了综合网兰组织和等轴 (双态) 组织优点的某种过渡组织的特征。 工艺b得到的材料强度比工艺a的略低, 但塑性有大幅度提高。 两种工艺都没很好地解决原始β晶粒的均匀性问题, 还需进一步研究。

参考文献

[1] 　姜伟之, 王春生, 唐振庭, 等.　金属力学性能[M].北京航空学院教材, 1985.57.

[2] 　李瓦诺夫BA , 等.　国外钛合金文集[M].北京:冶金工业出版社, 1972.27.

[3] 　王金友, 赖新锦, 谢成木.　高新技术新材料要览[M].北京:中国科学技术出版社, 1993.119.

[4] 　BoyerRR , RosenbergHW .　BetaTitaniumAlloysin1980’s, U .S .A ., 1984.441.

[5] 　WeissI, SemiatinSL .　MaterialsScienceandEngineering, 1998, A243:46.