文章编号：1004-0609(2013)S1-s0726-04

少量B/TiB₂对近β钛合金Ti-B20铸态组织的影响

黄立国^1,2，孔凡涛¹，杜赵新¹，肖树龙¹，徐丽娟¹，陈玉勇¹

(1. 哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院，哈尔滨 150001；

2. 辽宁工程技术大学 材料科学与工程学院，阜新 123000)

摘  要：研究少量B/TiB₂对近β钛合金Ti-B20铸态组织的影响。结果表明：少量的B/TiB₂对近β钛合金的铸态组织具有显著的细化作用。添加0.1%B/0.32%TiB₂(质量分数)时，细化效果出现拐点，过量的B/TiB₂对晶粒细化没有作用。当添加0.3%B/0.96%TiB₂(质量分数)时，组织中出现明显的树枝晶形态，这是凝固过程中元素B在枝晶凸起前沿和枝晶臂之间富集的结果。

关键词：近β钛合金；Ti-B20；晶粒细化；枝晶组织；TiB₂

中图分类号：TG145.2+3　　     文献标志码：A

Effect of trace B/TiB₂ on microstructure of near β titanium alloy Ti-B20

HUANG Li-guo^1,2, KONG Fan-tao¹, DU Zhao-xin¹, XIAO Shu-long¹, XU Li-juan¹, CHEN Yu-yong¹

(1. College of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;

2. College of Materials Science and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China)

Abstract: The effect of trace B/TiB₂ on solidification microstructure of near β titanium alloy Ti-B20 was studied. The results show that trace B/TiB₂ can refine solidification microstructure of near β titanium alloy remarkably. Inflection point appears when the addition is about 0.1%B/0.32%TiB₂ (mass fraction), and more addition of B/TiB₂ has no influence on the grain refinement. When the addition is 0.3%B/0.96%TiB₂, the obvious dendrite morphology will appear. This is attributed to that the B enriches in the front of the dendrite hump and among the dendritic arms.

Key words: near β titanium alloy; Ti-B20; grain refining; dendrite; TiB₂

近β钛合金是一种重要的工程结构材料^[1-2]，由于其固有的塑性及热处理能力，近些年成为替代α+β合金的选择，在航空工业和汽车工业等领域逐渐得到一定的应用^[3-5]。但近β钛合金同其它类型钛合金(α和α+β型)类似，也存在铸态组织粗大的问题。往往需要通过在β相区的开坯锻造过程破碎粗大的铸态组织，这增加了钛合金的成本。在传统熔炼过程中，少量的Ti对Al合金晶粒和少量Zr对Mg合金晶粒具有显著的细化作用。因此，近年一些材料工作者研究少量合金元素加入钛合金中是否能够细化晶粒。ZHU等^[6]证实少量的B加入Ti-6Al-4V合金中能够显著细化合金铸态晶粒尺寸，而利用ISM熔炼的Ti-6Al-4V-0.1B合金铸态晶粒尺寸相对基体合金Ti-6Al-4V细化了一个数量级^[7]。元素B加入钛合金中能够通过反应Ti+B→ TiB生成TiB，而TiB₂加入钛合金中也可通过反应Ti+TiB₂→TiB生成TiB。因此，少量的B和TiB₂加入钛合金可以得到具有相同相的铸态组织。本文作者的目的是研究少量的TiB₂加入近β钛合金Ti-B20中能否细化铸态晶粒组织。

1  实验

实验合金的基体为近β钛合金Ti-B20，由西北有色金属研究院基于“临界钼当量条件下的多元强化”原则开发^[8-9]，其钼当量为10.3，合金的相变点为810℃左右，该合金具有良好的强度塑性匹配和时效响应快等优点。实验过程中分别添加B和TiB₂熔炼两组合金，其名义成分如表1所示。两组合金中添加质量分数为0.16% TiB₂相当于添加质量分数为0.05%B。基体合金和含B合金利用真空非自耗水冷铜坩埚电弧炉熔炼，合金元素Al、Mo和V 以中间合金形式添加，而合金元素Cr、Fe、Zr和Sn以纯金属的形式添加。为保证成分的均匀性，每个成分合金熔炼4次且每次熔炼过程中通过电磁搅拌15 s。采用线切割技术切取试样，所有试样的取样位置相同，均为钮扣锭的中心部位。经过粗磨、精磨、抛光和腐蚀处理后利用蔡司金相显微镜观察铸态组织。

2  结果与分析

图1所示为少量B添加到Ti-B20合金中对铸态组织的影响，从图中可以看出，少量B的添加显著细化近β钛合金的组织。对于基体合金(图1(a))，其特征为晶粒组织粗大，晶粒尺寸达到(891±248) μm。处于晶界的α相连续且平直，此α相显著降低了近β钛合金的力学性能。当添加质量分数为0.05%B时(图1(b))，β晶粒尺有所减小，少量的TiB出现在组织中，分布在晶界处或晶粒内部。当添加质量分数为0.1%B时(图1(c))，晶粒尺寸进一步减小，其尺寸为(156±24) μm，明显小于基体合金的晶粒尺寸。组织中出现更多TiB，主要分布在晶界处，显示出β晶界的形貌。当添加0.3%B(质量分数)时(图1(d))，晶粒尺寸没有进一步细化，说明添加0.1% B为细化效果的拐点，添加更多的B不能进一步减小β晶粒尺寸。与图1(b)和图1(c)组织不同，此时β晶粒由等轴形貌演变成树枝晶形态。由于添加B的量较多，组织中出现更多的TiB，TiB不仅分布在β晶界处，还有一部分处于枝晶臂之间，呈现出树枝晶的形态。

表1  合金的名义化学成分(质量分数)

Table 1  Chemical compositions of alloys (mass fraction, %)

图1  添加B时Ti-B20合金的光学形貌

Fig.1  Optical micrographs of Ti-B20 alloy added B

图2所示为少量TiB₂添加到Ti-B20合金中对铸态组织的影响。与添加B相似，少量TiB₂的添加同样显著细化Ti-B20合金的组织。对比图1和图2可以看出，两组合金随着添加B和TiB₂的增加，铸态组织的变化趋势是一致的：添加0.16% TiB₂对合金组织细化效果有限；添加0.32% TiB₂对合金细化效果明显，此时晶粒尺寸为(167±15) μm，同添加0.1%B的细化效果相当，此时TiB主要处于晶界处；当添加0.96% TiB₂时，晶粒没有进一步细化，组织中同样出现明显的树枝晶形态，此时TiB主要分布于晶界和枝晶臂处。

图2  添加TiB₂时Ti-B20合金的光学形貌

Fig.2 Optical micrographs of Ti-B20 alloy added B

Ti-B20合金铸态晶粒尺寸随B和TiB₂量的变化关系如图3所示。从图中看出，Ti-B20合金中β晶粒尺寸随着B和TiB₂量的增加而减小，添加0.1%B/ 0.32TiB₂是细化效果的拐点，进一步增加B和TiB₂的量不能减小晶粒尺寸。从图1~3的分析可以看出，添加B和TiB₂对Ti-B20合金具有相同的细化效果。

图3  Ti-B20合金铸态晶粒尺寸随着B和TiB₂量的变化

Fig.3  Variation of as cast grain size of Ti-B20 with boron/TiB₂ concentration

B和Ti可以发生反应生成TiB，在最初发现B能够细化钛合金时将细化效果归因于TiB作为形核质点^[6]，从而细化钛合金的晶粒，随后TAMIRISAKANDALA等^[7]的研究结果表明：TiB不能作为形核质点，晶粒的细化是由于凝固过程中元素B在固-液界面前沿富集引起的成分过冷增加造成的。先前的研究都是围绕B对晶粒细化展开，还没有其他研究者研究TiB₂对晶粒是否有细化作用。从本研究结果可以看出，添加TiB₂对钛合金晶粒同样具有细化作用。TiB₂可以和熔融的钛发生反应生成TiB，这个反应发生在炉料加热的过程中，一些研究者利用此反应制备粉末冶金工件^[10]。由于没有Ti-TiB₂相图可以借鉴，在分析TiB₂机理时可以借鉴Ti-B二元相图，如图4所示^[11]，其中阴影部分为本实验中添加的元素B所覆盖的范围。由于实验中合金进行多次熔炼，Ti+TiB₂的熔炼等同于Ti+TiB的熔炼。TiB在钛合金熔体中不能稳定存在，TiB发生断键形成Ti和B的原子团簇。在凝固过程中，当合金熔体的温度到达1 540 ℃时，发生共晶反应生成TiB。由于β相已经先于TiB生成，因此TiB不可能作为β相的形核质点^[7]。从TiB在合金熔体中不能稳定存在而生成B原子团簇的角度来看，TiB₂对晶粒细化的机理等同于B的作用机理。图 4中阴影处合金成分在凝固过程中排出的溶质B富集在固-液界面前沿，一方面限制了β晶粒的长大，另一方面在固-液界面前沿形成成分过冷从而促进熔体中新晶粒的生成，从而细化晶粒。

图4  Ti-B二元相图^[11]

Fig.4  Binary phase diagram of Ti–B^[11]

图1(d)和图2(c)中出现的树枝晶形态与凝固时从固相中排出的溶质B的富集有关。当合金中B含量较少时(如质量分数在0.1%以下)，从固相中排出的B主要富集在枝晶凸起的前沿，在共晶反应温度与Ti反应后生成TiB，TiB主要分布在晶界处。当合金中含B含量较多时(如质量分数超过0.1%)，此时从固相中排出的B一部分富集在枝晶凸起的前沿，另一部分富集在二次枝晶臂之间，这两部分B在共晶反应时生成TiB并保留到室温，从而显示出凝固组织中树枝晶的形态。

3  结论

1) 添加TiB₂和B对Ti-B20的组织具有相同的影响，少量TiB₂也细化近β钛合金Ti-B20的铸态组织。

2) 添加B和TiB₂细化组织的机理都归因于凝固期间排出的元素B在固-液界面前沿的富集。添加较多B/TiB₂时组织中出现树枝晶形态，这是由在枝晶凸起前沿和二次枝晶臂间生成TiB造成的。

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(编辑 王 超)

收稿日期：2013-07-28；修订日期：2013-10-10

通信作者：黄立国，博士；电话：0451-86418802；E-mail：liguoh@126.com