简介概要

Ti8LC钛合金热处理工艺对硬度和组织的影响

来源期刊：稀有金属2011年第1期

论文作者：张津刘贞阳郭海明

文章页码：17 - 21

关键词：Ti8LC钛合金;热处理;硬度;微观组织;

摘要：钛合金Ti8LC是一种新型低成本近α型的钛合金,为了研究该合金热处理对其组织结构的影响规律,对其进行不同温度固溶处理,随后在不同温度进行时效热处理。用金相显微镜和扫描电镜观察了不同热处理工艺下的微观组织形貌,并通过能谱分析了不同工艺下元素的含量变化。采用洛氏硬度计测试了试样的平均硬度,分析了固溶温度和时效温度对其微观组织形态的变化影响,以及硬度大小、微观组织结构中相的形态和组织组成的相关性。结果表明:固溶处理温度对Ti8LC固溶后的显微组织及随后的时效组织都有极大的影响,随固溶温度的升高,由片状逐渐转为块状。经相同时效工艺处理的合金其显微组织受固溶后组织的遗传影响,合金的硬度随着固溶温度的升高,先降低后升高;通过微观组织和硬度的良好配合,可以确定Ti8LC合金固溶时效的最佳工艺。

稀有金属 2011,35(01),17-21

Ti8LC钛合金热处理工艺对硬度和组织的影响

张津刘贞阳郭海明

北京科技大学新材料技术研究院

摘要：

钛合金Ti8LC是一种新型低成本近α型的钛合金,为了研究该合金热处理对其组织结构的影响规律,对其进行不同温度固溶处理,随后在不同温度进行时效热处理。用金相显微镜和扫描电镜观察了不同热处理工艺下的微观组织形貌,并通过能谱分析了不同工艺下元素的含量变化。采用洛氏硬度计测试了试样的平均硬度,分析了固溶温度和时效温度对其微观组织形态的变化影响,以及硬度大小、微观组织结构中相的形态和组织组成的相关性。结果表明:固溶处理温度对Ti8LC固溶后的显微组织及随后的时效组织都有极大的影响,随固溶温度的升高,由片状逐渐转为块状。经相同时效工艺处理的合金其显微组织受固溶后组织的遗传影响,合金的硬度随着固溶温度的升高,先降低后升高;通过微观组织和硬度的良好配合,可以确定Ti8LC合金固溶时效的最佳工艺。

关键词：

Ti8LC钛合金;热处理;硬度;微观组织;

中图分类号： TG166.5

作者简介：张津(1963-),女,重庆人,博士,教授;研究方向:表面工程E-mail:zhangjin@ustb.edu.cn;

收稿日期：2010-01-03

基金：北京市腐蚀、磨蚀与表面技术重点实验室和北京市教委共建项目(sys100080419)资助;

Effect of Heat Treatment on Hardness and Microstructure of Ti8LC Alloy

Abstract：

Ti8LC alloy is a new type of near-α-Ti alloy with low cost.In order to get the effect of heat treatment on microstructure,solution treatment was performed at different temperature,then aging treated at various temperatures.Microstructure of Ti8LC alloy in different heat treatment was examined using optical microscope and SEM.The compositions of Ti8LC alloy in different process were analyzed by EDX.Hardness was measured also.The effects of solution temperature and aging temperature on microstructure of the alloy were discussed.It was found that the hardness was related with the phase constitution and microstructure.The results showed that the temperature of solution treatment had a great effect on the microstructure of Ti8LC after the solution and subsequent aging treatment.With the increase of solution temperature,the microstructure of Ti8LC transformed from plate into lump.The grain size of alloy varied with aging treatment inherited the microstructure of solution.The hardness of alloy decreased with the increasing temperature at first,then increased with the increasing temperature.Considering the microstructure and the hardness,the optimal process parameters of solution-aging treatment of Ti8LC could be acquired.

Keyword：

Ti8LC alloy;heat treatment;hardness;microstructure;

Received： 2010-01-03

钛合金具有比强度高、服役温度高、耐蚀性好等特点, 在航空航天、舰艇船舶、石油化工等领域受到特别的青睐, 由于质量轻可以带来能耗的降低, 因此对钛合金的需求量越来越大 ^[1,2,3,4] , 但毕竟钛合金的综合成本相对钢、铝合金来说还是太高, 因此低成本钛合金的研发和推广使用就成为各国的研究热点 ^[5,6,7,8] 。美国研发了以Al-Fe-Si和Al-Mo-Fe为主要合金元素的低成本钛合金, 日本则用Fe-O-N为低成本钛合金的主要合金元素。我国西北有色金属研究院 ^[9,10] 在21世纪初研发了以Al-Mo-Fe系的新型低成本钛合金T8LC和Ti12LC, 采用海绵钛、 Fe-Mo中间合金、 Al-Mo中间合金, 通过真空自耗电弧炉经两次熔炼及大变形步进轧制技术制备, 该新型钛合金热成型温度低于TC4, 棒材成本比TC4低20%, 拉伸性能优于TC4合金。这种钛合金虽有成本低, 综合性能较优越的特点, 但相关研究报道极少,其应用还不太广泛。不同的热处理工艺对钛合金的组织结构和变形都会产生很大的影响 ^{[11,12,13,14]} , 舒大禹等 ^[15] 对该合金热变形及其微观组织已进行了研究, 本文主要通过对该合金进行固溶时效处理, 研究不同热处理工艺对其微观组织结构和硬度的影响, 为该合金的推广应用积累一些可供参考的基础数据。

表1 试验用低成本钛合金Ti8LC的化学成分(%, 质量分数)

Table 1 Components of low cost Ti8LC used in the experiment (%, mass fraction)

Elements	Al	Mo	Fe	Si	C	N	H	O	Ti
Content	5.000～7.000	1.000～3.000	0.500～2.500	0.200	0.080	0.050	0.015	0.200	Bal.

1 实验

实验采用材料为西北有色金属研究院提供的Ti8LC合金, 其化学成分如表1, 规格为Φ40 mm×200 mm, 其原始态组织见图1。根据其相变点温度, 制定固溶时效工艺(表2)。

就不同工艺处理的试样用TH320洛氏硬度计测试了硬度, 用VHK-100型数码显微镜和LEO1450扫描电子显微镜上进行了组织观察, 并用能谱仪进行了成分分析。

2 结果与讨论

图1 Ti8LC合金原始锻造显微组织

Fig.1 As-forged microstructure of Ti8LC alloy

表2 Ti8LC合金固溶时效工艺

Table 2 Process of solid solution and ageing of Ti8LC alloy

Sample number	Heat treatment
1^#	850 ℃ 1 h coolling in water
2^#	900 ℃ 1 h coolling in water
3^#	950 ℃ 1 h coolling in water
4^#	1000 ℃ 1 h coolling in water
5^#	900 ℃ 1 h cooling in water+450 ℃ 4 h cooling in air
6^#	900 ℃ 1 h cooling in water+500 ℃ 4 h cooling in air
7^#	900 ℃ 1 h cooling in water+550 ℃ 4 h cooling in air
8^#	900 ℃ 1 h cooling in water+600 ℃ 4 h cooling in air
9^#	1000 ℃ 1 h cooling in water+500 ℃ 4 h cooling in air

2.1 固溶处理对组织结构的影响

固溶处理的目的是使合金元素固溶到基体中, 使元素均匀分布。 Ti8LC钛合金经不同温度相同时间固溶处理后的微观组织如图2所示。由图可见, 虽然都是固溶处理, 但其组织结构有较大的差别, 与图1锻造组织相比, 低温固溶后的片状组织与锻造组织有一定的相似性, 较高温度固溶处理后元素充分扩散, 当固溶急冷处理后, 其组织与原始态锻造组织也有较大的差异。

随固溶温度的升高, 片状逐渐转为块状, 低温(850 ℃)固溶处理后还保留有原始态α相的不规则扭曲(图2(a)), 随着温度的逐渐升高, 这种不规则性慢慢得到一定程度的改善, 当固溶温度升高到950 ℃时合金处于β+α两相区, 冷却后细片状的不规则扭曲基本消失(图2(c)), 组织逐渐变得均匀, 长的细片状组织变成为短小片和小圈状的两相混合组织, 晶粒变得更加均匀, 当加热温度再增加到单一的β相区后, 由于加热固溶温度高, 合金元素扩散充分, 原始的组织遗传被消除(图2(d)), 合金成分更加均匀, 快速冷却后其显微组织为接近等轴状的α′相+少量未转变的晶间β′相(图2(d))。

2.2 时效处理对组织结构的影响

经相同温度固溶处理后的合金再通过不同温度的时效处理, 发现其金相组织与固溶态以及不同温度时效的都有一定的差异。如图3所示。

Ti8LC合金经固溶水冷后的非平衡态组织会发生分解析出, 这种析出不同于铝合金时效的共格析出, 也不同于镁合金从基体α相中析出β-Mg₁₇Al₁₂, 前两者的析出相为与基体组织有较大差异的第二相析出, 而钛合金由于α相和β相属于同素异晶, 都是一种固溶体, 其相组织相同, 仅仅是晶格和元素含量多少发生变化, 即使过饱和的α′相分解, 也只能得到α相+晶间β相。经能谱分析, 发现α相中的主要合金元素含量变化如表3所示。由表可见, 经固溶处理和时效之后, α相中Al的含量在增加, Mo的含量都有所减少, 而Ti和Fe的含量变化不大, 这是由于Al是α相稳定元素, 而Mo是β相强稳定元素, Fe和Ti是β相弱稳定元素, 固溶温度在900 ℃低温时主要是在α相区, 1000 ℃固溶处理超过了相变点, 处于单相β相区, 因此在高温固溶时效的样品中β相含有更高的Al含量。

表3各种不同热处理工艺下钛合金中α相内含有的主要合金元素含量(%, 质量分数)

Table 3Contents of main elements of α phase in Ti alloy under different heat treatment

Heat treatment	Al	Ti	Fe	Mo
As-received	3.4781	94.2617	0.6793	1.5808
900 ℃ 1 h cooling in water+500 ℃ 4 h cooling in air	4.5523	94.2801	0.5399	0.6277
900 ℃ 1 h cooling in water+600 ℃ 4 h cooling in air	4.2208	94.9700	0.4002	0.4090
1000 ℃ 1 h cooling in water+500 ℃ 4 h cooling in air	5.3044	94.3090	-	0.3865

图4 Ti8LC合金分别经不同固溶处理和固溶时效处理后的硬度 (a)固溶态, (b)固溶后时效

Fig.4 Hardness of Ti8LC alloy after (a) solution treatment at different temperatures; (b)solution and aging treatment at different temperatures

此外经时效处理的合金的显微组织随固溶温度的升高, 由片状逐渐转为块状, 而且明显可以看到片间的β相含量增多, 如图3所示。 900 ℃ 1 h水冷并在不同温度时效的合金的显微组织为片状α相+晶间β相, 时效温度从450～550 ℃, 片状组织的片层逐渐变细, 而温度上升到600 ℃时片层又变得较宽, 如图3(a)～(d)所示。 1000 ℃ 1 h水冷+500 ℃ 4 h空冷后出现了块状组织, 如图3(e)所示。

2.3 固溶时效处理对硬度的影响

Ti8LC合金分别经固溶处理和固溶时效处理后的硬度变化如图4所示。

从图4(a)固溶处理试样洛氏硬度可以看出, 随着固溶温度的升高, 硬度先降低后升高。固溶温度从850～900 ℃再到950 ℃, 试样硬度逐渐降低, 1000 ℃固溶处理的试样硬度最高。再看图3所示微观组织, 固溶温度从850～900 ℃, 片层间距变宽, 故硬度降低; 由于β相硬度比α相高 ^[2] , 对1000 ℃固溶处理的试样来说, 基体α相中合金元素固溶较均匀, 并且微观组织中β相较多且较细密, 故硬度最高; 950 ℃固溶处理的微观组织晶粒较大且α相较多, 故硬度最低。

从图4(b)时效处理试样洛氏硬度可以看出: 对于900 ℃固溶并在不同温度时效的试样来说, 随时效温度的升高, 硬度先升高后降低; 经1000 ℃ 1 h水冷+500 ℃ 4 h空冷处理的试样的硬度最高。从图3看, 时效温度从450～550 ℃, 片状组织的片层逐渐变细, 而温度上升到600 ℃时片层又变得较宽, 故硬度先升高后降低; 由于组织遗传性, 1000 ℃固溶处理的试样硬度最高, 故1000 ℃固溶处理后时效的试样硬度也最高。