文章编号：1004-0609(2010)S1-s0016-05

TC21合金片层组织特征对其断裂韧性的影响

党  薇¹，薛祥义¹，李金山¹，胡  锐¹，朱知寿²，张丰收³，周  廉¹

 (1. 西北工业大学 凝固技术国家重点实验室，西安 710072；

2. 中国航空工业集团公司 北京航空材料研究院，北京 100095；

3. 西部超导材料科技有限公司，西安 710021)

关键词：

TC21钛合金；片层组织特征；断裂韧度；

中图分类号：TG 146　　     文献标志码：A

Influence of lamellar microstructure feature on fracture toughness of TC21 alloy

DANG Wei¹, XUE Xiang-yi¹, LI Jin-shan¹, HU Rui¹, ZHU Zhi-shou², ZHANG Feng-shou³, ZHOU Lian¹

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

2. Beijing Institute of Aeronautical Materials, Aviation Industry Corporation of China, Beijing 100095, China;

3. Western Superconducting Technologies Co., Ltd., Xi’an 710021, China)

Abstract: In order to analyze the relationship between lamellar microstructure feature (thickness of α laths, width of α lath at grain boundary and α colony size) and fracture toughness, the microstructures and fracture toughness of TC21 alloy cooled from β phase field with different slow rates were investigated. The results show that α colony size together with α laths thickness and width of α lath at grain boundary is decreased with increasing cooling rates, leading to the decrease of fracture toughness. It is positive for fracture toughness to decrease width of α lath at grain boundary, α laths thickness and α colony size.

Key words: TC21 alloy; lamellar microstructure feature; fracture toughness

TC21合金是我国自主研发的一种新型高强、高韧钛合金，名义成分为Ti-6Al-2Sn-2Zr-3Mo-1Cr-2Nb，典型力学性能：σ_b=1 100 MPa，σ_0.2=1 000 MPa，δ=8%，Ψ=15%，K_IC=70 MPa·m^1/2，E=115 GPa，da/dN为8×10^-5 ~9×10^{-5 mm/cycle[1-3]}。该合金满足损伤容限设计的要求，最适合于制造各类结构锻件及零部件，在航空航天工业和民用行业中已获得实际应用，特别是在飞机结构中要求高强、高韧、损伤容限和可焊的重要零部件^[4]。目前，国内外主要以采用β工艺(β热处理或β热变形)等方法来改善现有合金的损伤容限性能，与传统的α+β热处理工艺相比，其主要优点在于β热处理工艺获得的片层α组织取代了α+β热处理的等轴或双态组织，而片层组织的断裂韧性和蠕变抗力较高，最有利于发挥合金的损伤容限特性^[5]。因此，研究TC21合金片层组织特征(α片层厚度、α片层集束尺寸和晶界α层宽度)对其损伤容限性能的影响有重要意义。本文作者研究TC21合金经β相变点以上固溶，以不同冷却速率冷却到室温形成的片层组织特征变化对断裂韧性的影响，分析各组织特征对裂纹扩展的作用。

1  实验

实验用材料为经3次真空自耗电弧熔炼后，进行开坯、锻造、精锻的d90 mm棒材，该合金的相变点为(965±5) ℃。从棒材上取样，按国家标准GB/4161—84进行平面应变断裂韧度K_IC测试，试样为标准的三点弯曲试样，B=a=16 mm，W=32 mm，S=128 mm，裂纹取向为C-R方向，组织特征测试试样尺寸为d10 mm×6 mm。热处理制度为1 000 ℃固溶1 h后，分别以1、3、5 ℃/min速率冷却到室温。

热处理后的试样经过粗磨、细磨及粗抛、细抛制成金相试样，腐蚀剂为HF、HNO₃、 H₂O的混合液，其体积比为1:2:5，用JEOLJSM-5610LV型扫描电镜观察显微组织。用扫描电镜观察断裂韧度试样断口形貌，并用OLYMPUS/PMG3型光学显微镜观察裂纹扩展路径。

α片层厚度、片层集束尺寸、晶界α层厚度等组织特征的测量参考文献[6]和[7]，用photoshop7.0调整扫描照片的对比度，用Fovea Pro4.0测量组织特征参数。

2  结果与分析

TC21合金自b相区(1 000 ℃)慢速冷却到室温形成的典型片层组织如图1所示。随着冷却速率的变化，形成的α片层组织特征，包括α片层厚度、晶界α层宽度、α集束尺寸均发生了较有规律的变化，如图2所示。由图2可看出，随着冷却速率的增大，α片层厚度与晶界α层厚度均减小，与冷却速率基本符合线性关系。然而，当冷却速率为1~3 ℃/min时，集束尺寸的减小速率随冷却速率的增大而增大；当冷却速率为3~5 ℃/min时，集束尺寸减小得较缓慢。

TC21合金经1 000 ℃固溶并以不同冷却速率冷却后的断裂韧度测试结果如图3所示。由图3可以看出，随着冷却速率的增大，平面应力断裂韧度(K_IC)有所减小。虽然固溶冷却速率不同，TC21合金的K_IC值有差别，但是从各试样断口形貌上分析，断裂机理相同，因此以1 ℃/min的冷却速率为例进行断口分析(见图4)。由图4可知，合金的断口形貌呈延性沿晶韧窝断裂特征，沿晶分离面在粗大的β晶粒上；在断口的高倍形貌下，可以看到有撕裂棱，韧窝变形也较大，且在断面上有为数不多的较深的断裂刻面，这是断裂沿着不同位向的刻面发生而形成的，也体现了片状组织沿着弱晶体学位向发生断裂的典型特征^[8]。

图1  TC21合金在1 000 ℃固溶后以不同速率冷却到室温的显微组织

Fig.1  Microstructures of TC21 alloys cooled at different rates from 1 000 ℃: (a) 1 ℃/min; (b) 3 ℃/min; (c) 5 ℃/min

图2  冷却速率对片层组织特征的影响

Fig.2  Effects of cooling rates on lamellar microstructure features

图3  平面应力断裂韧度测试结果

Fig.3  Measurement results of fracture toughness

图5所示为在断裂韧性测试过程中TC21钛合金的裂纹扩展路径。由图5可以看出，裂纹主要沿晶界发生大的转向，如箭头A所示；当裂纹扩展到α片层集束处，扩展路径沿片层集束边界出现较小的曲折，或者向平行于集束方向偏转，如箭头B所示。可见，α片层集束尺寸、α片层宽度、晶界α片层宽度是控制TC21合金断裂韧性的重要显微组织特征参数，三者对断裂韧度的影响如表1所列。由表1可以看出，随着α片层集束的增大，断裂韧度逐渐增大。集束尺寸是影响性能的最主要显微组织特征参数，因为其决定有效滑移长度，集束边界是阻止滑移的主要屏障，当裂纹遇到不同集束时，由于不同集束的位向不同，在应力的作用下，使裂纹前沿的另一集束中α/β界面发生剧烈的塑性变形，这样可使片层组织的断裂韧度增高，降低裂纹扩展速率^[9]。

图4  以1 ℃/min冷速冷却到室温的试样断口形貌

Fig.4  Fracture morphology of specimen cooled at 1 ℃/min

图5  TC21合金在断裂韧性测试中裂纹扩展路径

Fig.5  Cracks extending routes of TC21 alloy during fracture toughness tests

表1  TC21合金的片层组织特征与断裂韧性的关系

Table 1  Relationships between lamellar microstructure feature and fracture toughness of TC21 alloy

随着晶界α层厚度的增大，断裂韧度增大。相关研究^[11-14]表明，裂纹越过晶界α相时，方向发生改变。因此，裂纹扩展路径曲折，增加裂纹的总长度，断裂所需的能量较多；裂纹穿越晶界α相时，裂纹数目也会增多，由于裂纹分叉使裂纹尖端的应力场相对松弛，在裂纹扩展过程中吸收的较多能量，从而使裂纹扩展速率降低，断裂韧度增高。赖祖涵^[14]以及GREENFIELD和MARGOLIN^[15]认为，裂纹在晶界α层扩展的过程是与裂纹接触的α相中的应力是否降低到自由α相中的流变应力大小以致裂纹尖端区域α相中产生塑性流变相关的。基体中的裂纹扩展到晶界，与裂纹接触的α相中的应力要比在此之前受周围β相约束时的有所降低。当应力降到自由α相中的流变应力大小时，裂尖区α相中产生塑性流变，使裂纹向α相中扩展，并延伸至晶界α层另一侧的α/β交界面。晶界α越宽，此过程消耗能量越多，且晶界α相中位错塞积可使相邻的β相发生塑性变形而消耗能量，断裂韧性将随着α厚度的增加而提高。

3  结论

1) TC21合金经β相区固溶并以1~5 ℃/min冷却到室温时，随着冷却速率的增大，TC21合金α片层厚度及晶界α层宽度均减小，与冷却速率基本符合线性关系；集束尺寸随冷却速率的增大而减小的趋势呈二次关系；随着冷却速率的增大，断裂韧度有所减小，在80~95 MPa?m^1/2范围内变化。

2) 在本实验测试尺度范围内，α片层厚度、α片层集束尺寸和晶界α层宽度的增大均可提高合金的断裂韧性。

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(编辑 杨 华)

基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2007CB613802)；西北工业大学凝固技术国家重点实验室自主课题资助项目(12-QP-2008)

通信作者：党 薇, 博士研究生; 电话: 13991329641; E-mail: dangweiiam@yahoo.com.cn