文章编号：1004-0609(2013)S1-s0062-05

Ti-7333钛合金低温时效过程中ω相的析出行为

蒙彩思，欧文超，花  珂，唐  斌，寇宏超，李金山

(西北工业大学 凝固技术国家重点实验室，西安 710072)

摘  要：对近β型Ti-7333(Ti-7Mo-3Cr-3Nb-3Al)合金在350 ℃进行不同时间的等温时效，结合XRD及TEM分析得出该合金等温在时效过程中的组织演变规律，并采用等温热膨胀分析方法研究ω相变动力学行为。结果表明：Ti-7333合金固溶后淬火获得单一的β组织，350 ℃时效4 h弥散析出细小的颗粒状ω相；经时效8 h后，ω相长大且均匀、弥散分布于β基体中；经20 h时效后，β基体中除含有ω相外，还析出细小的次生α相。同时，ω相聚集成团，造成分布不均匀，且伴随着次生α相的析出，ω相形貌发生变化。这是由于等温时效温度低、淬火得到的不稳定β相未能直接转变成α相，而是通过先生成过渡相ω相再由ω相转变成α相，使得合金相稳定性增加。

关键词：Ti-7333钛合金；ω相；次生α相；等温时效

中图分类号：TG146.23　　     文献标志码：A

Precipitation behavior of ω phase of Ti-7333 titanium alloy during low temperature aging

MENG Cai-si, OU Wen-chao, HUA Ke, TANG Bin, KOU Hong-chao, LI Jin-shan

(State Key Laboratory of Solidification Processing, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

Abstract: Dilatometry method was used to study the ω phase transformation kinetics of a near-β Ti-7333 titanium alloy Ti-7Mo-3Cr-3Nb-3Al during 350 ℃ isothermal aging for different time. The microstructure evolution was obtained by means of XRD and TEM observation. It is indicated that the single β phase can be obtained during cooling of Ti-7333 alloy from the solution treatment temperature. Aging at low temperature 350 ℃ for 4 h, fine ω particles precipitate in the β matrix homogenously. Aging for 8 h, ω particles grow up with a relatively slow speed and distribute in β matrix evenly and dispersively. After aging for 20 h, the secondly α phase precipitates in the β matrix besides ω particles. And the coarser ω particles form as groups in a quite non-uniform fashion. The morphology of the ω phase particles changes slightly for the formation of secondly α phase. This mainly ascribes that the unstable β phase has no ability to transforms into α phase at low temperature. In order to improve the phase stability, the unstable β phase firstly transforms into ω phase and then the ω phase transforms into α phase.

Key words: Ti-7333 titanium alloy; ω phase; secondly α phase; isothermal aging

近β钛合金因其具有强度高、塑性好、深淬透性等特点而受到广泛关注^[1]。近β钛合金可通过在β基体中均匀析出细小的次生α相而实现很好的强塑性匹配。因此，β基体中次生α相的体积分数、形貌、尺寸和分布都对合金的强化产生重要影响^[2-4]。近年来，很多研究者在对近β钛合金及亚稳β钛合金的研究中发现，在低温时效过程中析出细小均匀的ω相可作为α相的形核质点，辅助α相形核，从而使得α相在β基体中均匀分布，起到强化效果^[4-5]。Ti-7333合金是一种新型近β型高强钛合金^[6]，研究其低温时效相变及组织演变规律可为近β钛合金的强化机制提供重要的实验依据和研究资料，具有重要的指导意义。

本文作者以Ti-7333合金为研究对象，探讨该合金在低温时效过程中的相变和组织演变规律，为进一步开发合金性能、实现组织性能控制提供依据。

1  实验

Ti-7333合金经真空电弧熔炼后于β相区开坯及粗锻，再在α+β相区终锻成d 150 mm的棒材。通过金相法测定其β相变点为850 ℃。采用电火花切割机切出d 5 mm×10 mm的圆柱作为热膨胀的试样及热处理实验研究。

首先将试样置于卧式炉中进行900 ℃、30 min的固溶处理，随后进行水冷。通过XRD分析其淬火组织为全β组织。取一个d 5 mm×10 mm试样进行等温热膨胀实验，等温热膨胀实验的目的是获得Ti-7333合金的等温时效动力学特征。等温热膨胀试样在高纯氩气保护下以1 K/min的升温速率升温至350 ℃后进行等温时效20 h。为了得到等温时效过程中的显微组织演变规律，将固溶试样在350 ℃分别等温时效4、8及20 h后进行淬火，利用 PHILIPS X’Pert MPD型 X射线衍射仪确定相组成和Tecnai F30 G²场发射透射电镜进行组织形貌观察和相结构分析。

2  结果与讨论

2.1  Ti-7333合金的等温热膨胀动力学

图1所示为Ti-7333合金在350 ℃等温时效20 h后的等温动力学曲线。由图1可知，膨胀量呈现先减小后增大的趋势。AB段为曲线下降阶段，对应于等温ω相析出，在400~740 min之间AB段下降速度逐渐趋缓，意味着ω相析出逐渐达到平衡，ZHOU等^[7]在对TB13钛合金的研究结果中指出：ω相的析出是一个 形核长大过程，长大速率由扩散控制，且随着ω相体积分数的逐渐增大，ω相激活能逐渐升高，即从基体中析出ω相的难度逐渐增大。由此可知，Ti-7333合金在350 ℃等温时效过程中，ω相也是以形核长大的方式析出，ω相变持续时间约为8 h。BC段为曲线上升阶段，对应等温ω相向α相转变，相变初期α相析出较慢，960 min后α相转变量呈直线增大。在连续升温热膨胀实验中，等温ω相开始转变时对应热膨胀曲线呈下降趋势，随着温度的升高曲线先下降后上升， 这意味着发生了α相转变^[8]。本研究结果与连续升温热膨胀所得到的结果相似。

图1  Ti-7333合金在350 ℃下的等温膨胀动力学曲线

Fig. 1  Dilatometry kinetics curve of Ti-7333 titanium alloy measured at 350 ℃

2.2  等温时效过程中Ti-7333合金的相组成分析

图2所示为Ti-7333合金在900 ℃固溶及350 ℃等温时效不同时间的XRD谱。如图2所示，经固溶后淬火试样的XRD谱显示为单一的β相，然而β相的衍射峰较宽，这可能是在淬火过程中发生了亚稳β相的分解。时效4 h以后，XRD谱中除了有β相的衍射峰外，还存在ω相的衍射峰，且β衍射峰逐渐尖锐化，这意味着ω相析出伴随着β相的稳定。时效8 h后，ω相衍射峰逐渐变强，且并未出现α相的衍射峰，这说明8 h时效β基体中只有ω相的析出。时效20 h后，XRD谱中出现了α相的衍射峰，但其强度很低，表明此时α相的体积分数较小。XRD分析结果表明：Ti-7333合金在固溶条件下的组织几乎全为β组织，随着时效时间的延长，发生β→ω转变。超过8 h后，ω相开始转变成α相。由此可知，在350 ℃等温时效过程中，由于β稳定元素扩散较慢，且相变驱动力不足，不能直接发生β→α转变，因此首先析出ω相，随后发生ω→α转变。

图2  Ti-7333合金经固溶及等温时效处理后的XRD谱

Fig. 2  XRD patterns for Ti-7333 alloy after solution treatment (a) and 350 ℃ isothermal aging ((b), (c), (d)) for different times

2.3  等温时效过程中Ti-733合金的显微组织演化

如图3(a)所示，固溶后淬火得到的只有单一的β相，β基体中无任何析出相，在从[110]β轴获得的衍射谱(见图3(b))显示只有β相的衍射斑点，同时斑点之间存在着微弱的衍射条纹，这可能是亚稳β相的分解造成的。时效4 h后，由图3(c)的暗场像可以看出，在β基体中均匀地析出纳米尺度的颗粒状ω相(颗粒直径<5 nm)。图3(d)所示的衍射谱显示，除了β相的衍射斑点外，在β斑点的1/3~2/3处还出现微弱的衍射斑点，表明存在两种ω相变体。

经时效8 h后，从图4(a)的暗场像看出，基体中存在高度均匀、弥散分布的颗粒状ω相，且尺寸较时效4 h的粗大。此时得到的ω相衍射斑点(见图4(b))强度更高，这说明时效8 h后析出相ω的体积分数大于时效4 h析出相ω的体积分数。由图 4(c)可知，时效20 h后，ω相尺寸更为粗大，且聚集成团造成分布不均匀；通过图4(d)所示的衍射谱可以看出，在β相和ω的衍射斑点中间还出现一组微弱的衍射斑点，表明此时产生了次生α相，这与文献[9-12]的报道一致，且次生α相的析出使得ω相的形貌发生变化^[9]。时效不同时间获得的ω相尺寸如表1所列。由于时效4 h析出的ω相尺寸过小，无法精确统计。

图3  Ti-7333合金固溶与350 ℃时效4 h的暗场像和TEM衍射花样

Fig. 3  Dark-field images and TEM diffraction patterns of Ti-7333 alloy after solution treatment ((a), (b)) and 350 ℃ isothermal aging treatment for 4 h ((c), (d))

图4  Ti-7333合金经350 ℃等温时效8和20 h的暗场像和TEM衍射花样

Fig. 4  Dark-field images ((a), (b)) and TEM diffraction patterns of Ti-7333 alloy after 350 ℃ isothermal aging treatment for 8 ((a), (b)) and 20 h ((c), (d))

表1  Ti-7333合金经350 ℃等温时效不同时间获得的ω相的平均直径

Table 1  Average diameters of ω phase precipitated from Ti-7333 alloy after 350 ℃ isothermal aging treatment for different times

由图3和4可知，ω相与β基体存在如下晶体学位相关系：。李士凯等^[13]研究了Ti10V2Fe3Al合金ω相的形成规律及ω相对合金性能的影响，发现随着处理温度的升高，ω相析出现象明显，合金塑性降低。可见，延长时效时间及提高时效温度都有利于ω相析出。

综合以上分析说明，350 ℃等温时效时，依次发生的相变如下：β→ω，β+ω→α。另外，相比Ti-5553合金350 ℃时效2 h时ω相和次生α相共存^[4]，Ti-7333合金时效时次生α相以ω相作为形核质点析出所需的时间更长。

3  结论

1) Ti-7333合金固溶淬火后得到单一的β组织。

2) Ti-7333合金在350 ℃等温时效4 h开始析出ω相，时效8 h后开始发生ω→α相变。且随着时效时间的延长，ω相长大聚集成团，分布不均匀，由于次生α相析出，因此，ω相的形状发生一定程度的变化。

3) 低时效温度条件下，ω相长大速度缓慢，时效20 h后开始析出α相。由ω→α相转变得到的次生α相长大速度也缓慢，又由于次生α相含量低，因此，在XRD谱上的衍射峰和TEM得到的衍射斑点均很小。

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(编辑  陈卫萍)

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51301135)

收稿日期：2013-07-28；修订日期：2013-10-10

通信作者：唐  斌，讲师，博士；电话：029-88460361；E-mail: toby@nwpu.edu.cn