简介概要

β钛合金的强韧化机制分析

来源期刊：稀有金属2009年第1期

论文作者：惠松骁叶文君付艳艳宋月清于洋米绪军

关键词：β钛合金; 强度; 断裂韧性; 显微组织; 热处理;

摘要：β钛合金的合金成分、热处理工艺和显微组织决定了合金的强韧性.β钛合金的β稳定元素和中型元素Zr可以提高合金的强度,降低断裂韧性.细小的β晶粒不能有效提高时效态β钛合金的强度,可以降低Ti-15-3合金的断裂韧性,对β-C和Ti-1023合金的断裂韧性无明显影响.时效态β钛合金的强度主要取决于时效析出的次生α相的含量和尺寸,在含有同样初生α相的情况下,细小的次生α相可以显著提高合金的强度.初生α相的粗化以及初生相从球状转变为片状会导致β钛合金塑性降低,断裂韧性提高.β钛合金的双态组织具有良好的强度、塑性和韧性的匹配.

稀有金属 2009,33(01),92-95 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2009.01.009

β钛合金的强韧化机制分析

宋月清惠松骁米绪军叶文君于洋

北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室

摘要：

β钛合金的合金成分、热处理工艺和显微组织决定了合金的强韧性。β钛合金的β稳定元素和中型元素Zr可以提高合金的强度, 降低断裂韧性。细小的β晶粒不能有效提高时效态β钛合金的强度, 可以降低Ti-15-3合金的断裂韧性, 对β-C和Ti-1023合金的断裂韧性无明显影响。时效态β钛合金的强度主要取决于时效析出的次生α相的含量和尺寸, 在含有同样初生α相的情况下, 细小的次生α相可以显著提高合金的强度。初生α相的粗化以及初生相从球状转变为片状会导致β钛合金塑性降低, 断裂韧性提高。β钛合金的双态组织具有良好的强度、塑性和韧性的匹配。

关键词：

β钛合金;强度;断裂韧性;显微组织;热处理;

中图分类号： TG146.23

作者简介：宋月清E-mail:syq@grinm.com;

收稿日期：2008-01-22

Strength and Fracture Toughness of Beta-Titanium Alloys

Abstract：

The strength and fracture toughness of β titanium alloy is controlled by the components, heat treatments and microstructure.β stable elements and neutral elements can improve the strength of β titanium alloy while reduce the fracture toughness.Small β grain can hardly increase the strength of aged β titanium alloy and fracture toughness of β-C and Ti-1023 alloy, however, it may decrease fracture toughness of Ti-15-3 alloy.The strength of aged β titanium alloy depends on the volume and size of second β phase precipitating in aging treatment.Under the same condition of primary β phase, small second β phase can rise strength effectively.The decreasing of plasticity and increasing of fracture toughness are caused by coarse and plate-shape primary β phase.Strength, plasticity and toughness are in good balance as a result of the bi-modal structure of β titanium alloy.

Keyword：

β titanium alloys;strength;fracture toughness;microstructure;heat treatment;

Received： 2008-01-22

β型钛合金具有良好的冷热加工性能, 易锻造, 可通过固溶时效处理获得较高的机械性能。同时β钛合金所具有的可热处理强化性和深淬透能力使得其逐渐代替了α+β两相钛合金成为大型锻件的主要结构材料, 在航空航天和民用工业发挥着越来越重要的作用。在β钛合金的研究中发现β钛合金的断裂韧性通常与强度呈反比, 因此针对β钛合金的强韧化原理研究成为目前重点研究方向。本文从合金元素、显微组织和热处理制度3个方面阐述了其对β钛合金强韧性的影响。

1 β钛合金的强塑性

1.1 强化原理

合金的强化方式主要有位错强化、晶界强化、固溶强化、第二相强化和细晶强化等方式 ^[1] 。 β钛合金的强化机制主要是亚稳β相通过时效处理, 分解成弥散分布的α_S相、稳定。相或其他第二相, 使合金强度得到大幅度提高。 β钛合金中的α相和β相本身较软, 但是当时效析出α_S相时, α-β相界面会对位错运动起到阻碍作用, 从而提高合金强度。由于β钛合金比其他类型钛合金在时效时析出更多的α相, 含有更多的α-β相界面阻碍位错运动, 因此β钛合金的室温强度最高。

1.2 β钛合金的强塑性

通常β钛合金的强度和塑性主要受合金元素、相组织和热处理制度的影响。 β钛合金的相组织十分复杂, 并随着加工和热处理制度变化, 其主要组织为β相、 α_P、 α_S、 β′和ω相。

β晶粒尺寸对β钛合金强度的影响主要取决于合金的热处理状态。时效态的β钛合金的抗拉强度 ^[2] 、屈服强度 ^[3] 与β晶粒的尺寸无太大关系, 其强度主要与时效析出的α_S有关, 而细小的β晶粒可以提高合金的延伸率和断面收缩率 (图1 ^[2,4] ) 。固溶态的β钛合金的β晶粒尺寸对屈服强度的影响作用符合Hall-Petch公式, 即β晶粒越小, 屈服强度越高。

在β钛合金的时效分解中, 根据合金成分、加工工艺和热处理制度的不同, 会形成两种类型的α_S相, 即1α型 (柏格斯α) 和2α型 (非柏格斯α) , 以及两种转变相β′和ω相。 β钛合金的时效强化是由时效时析出的α_S引起的, 时效强度则受α_S粒子的尺寸、形状及体积分数影响 ^[5] 。比较Ti-1023合金的α_S的大小就会发现, 在含有同样α_P的情况下, 细小的α_S可以显著提高合金的强度 (表1 ^[6] ) 。 Fores ^[7] 给出β钛合金强度与α_S关系的公式:

YS=850+70d^-1

式中YS为屈服强度, 单位MPa; d为α_S的间距, 单位μm。即α_S之间的间距越小, 分布越密集, β钛合金的屈服强度越高。

β′和ω相一般不作为β钛合金的最终强化物, 这是因为β′相的析出几乎不能提高合金的强度, 而ω相虽然可以使合金强度显著提高, 但塑性却急剧降低。但这二者在随后的时效过程中对α_S的形核起着重要作用, 可通过β′和ω相的先期析出而控制α_S的分布和形态。目前还尚未弄清楚1α型和2α型沉淀的形成动力学以及强化原理, 更无法比较相同体积分数的1α型和2α型相对合金性能的影响作用。

固溶时效后的α_P相非常软, 对材料的强度基本没有影响 ^[8] 。当固溶温度降低时, 随着α_p含量的增加, 必须析出更多细小的α_S强化β基体。同时为了提高合金的塑性, 需要有一定数量的α_P ^[6] 。 α_p相的粗化以及α_p相从球状转变为片状会导致合金的塑性降低 ^[9,10] ; 在保持宏观屈服强度恒定的条件下增加α_p相的体积分数 (较低的固溶处理温度) 会降低合金的塑性; 时效处理条件不变时, α_p相体积分数的增加会降低合金的屈服强度并提高塑性, 见图2 ^[4] 。

显微组织的形态对β钛合金的强塑性也有很大影响。实验 ^[11] 比较了β-CEZ合金的双态组织、片状组织和链状组织的室温力学性能和断裂韧性 (表2) 。具有链状组织的合金具有较高的强度和断裂韧性, 而片状组织的塑性很差。双态组织具有良好的强度、塑性和韧性的匹配。

2 钛合金的断裂韧性

2.1 韧化原理

材料在变形和断裂过程中吸收能量的能力称为韧性, 材料吸收的能量越多, 韧性越好。断裂韧性是表示材料韧性的指标, 反映材料对裂纹和其他尖锐缺陷扩展的抵抗能力。合金成分、显微组织是决定钛合金断裂韧性的主要因素。合金成分决定了合金中β相的数量, 也决定了合金的类型和断裂韧性。显微组织的形态、数量、体积等因素同样决定合金断裂韧性的高低。

2.2 β钛合金的断裂韧性

影响β钛合金的断裂韧性主要有两个因素, 即合金成分和显微组织。

随着合金成分中的间隙型元素含量增加, 材料韧性降低 ^[12,13] 。 β钛合金中的β稳定元素, 都有提高强度降低韧性的作用。中性元素Zr与其他β稳定元素相似。值得注意的是, 大多数β稳定元素能提高对亚临界裂纹的扩展抗力, 其中Mo的效果最显著。

β钛合金的显微组织中的α_p, α_S和β晶粒尺寸影响着β钛合金的断裂韧性。尤其是α_p相的形状和分布对失稳裂纹扩展途径以及断裂韧性都起着重要作用。

有关α_p相对合金断裂韧性影响的研究很多 ^{[6,10,14,15,16]} 。 Terli nde等 ^[15] 研究了α_p对Ti-1023合金的断裂韧性的影响作用, 指出α_p相从针状转变为球状时韧性降低; 在考虑屈服强度恒定时, 断裂韧性随片状α_p含量的增加而减少 (表3的A和D) ; 当时效工艺相同时, 断裂韧性则随片状α_p含量的增加而增加 (表3的D和E) ; α_P的尺寸 (直径2 μm和4 μm的球状α_P) 对断裂韧性并无影响 (表3的C和D) 。研究还表明随着球状α_p相含量的增多, 裂纹扩展速率减慢, 作为裂纹尖端的塑性钝化量的延展区宽度变大, 断裂韧性提高; 随着片状α_p相含量增多, 裂纹扩展路径增长, 且在穿过不同位向α集束界面出处裂纹会由于转向而出现分支或产生二次裂纹, 使得扩展路径更加曲折, 从而消耗更多能量, 提高合金的断裂韧性。

由于β钛合金中的α_S相主要在合金时效时用以提高合金的强度, 因此随着α_S相含量的提高, 合金的强度提高, 而断裂韧性和塑性则急剧降低。

β钛合金在固溶快冷时生成的残余β相可以显著提高断裂韧性和裂纹扩展阻力。其原因是β钛合金的残余β相稳定程度高, 残余β相因变形生成孪晶, 使断裂韧性提高。

研究发现细化β晶粒可降低Ti-15-3合金的断裂韧性 ^[2,17] , 但是对β-C和Ti-1023的断裂韧性却没有太大的影响 ^[2,18] , 见图3。

3 钛合金的强韧性匹配

通常来说, 钛合金的断裂韧性和强度呈反比趋势, 即强度提高的同时断裂韧性下降。而β钛合金之所以得到广泛的应用, 也是因为其时效后具有其他类型的钛合金无法比拟的高强度优势。研究β钛合金的强度和断裂韧性匹配, 就需要寻找具有良好强度和断裂韧性的显微组织以及加工路线和热处理制度。

Kawabe等 ^[2] 研究了不同的β钛合金强度与断裂韧性的关系, 发现合金试样经过500 ℃时效处理后, 断裂韧性不再取决于合金的成分和组织, 而断裂韧性的分布主要集中在图4所示的阴影区域; 当时效温度低于500 ℃, 合金的断裂韧性位于阴影区域下方。

4 结语

β钛合金的强韧性匹配决定了β钛合金是否能够成功应用于大型锻件的基础, 也是当今世界各国的研究重点方向。合金成分的设计、杂质元素含量、加工历史以及热处理工艺等都在影响着合金的强韧性。本文从合金元素、显微组织和热处理制度3个方面阐述了其对β钛合金强韧性的影响。在确定合金成分后, 可以通过调整合金的热处理工艺和显微组织形态、数量使合金达到强韧性的良好匹配。