网络首发时间: 2018-11-01 09:18

稀有金属2019年第9期

冷变形及时效工艺对TB8钛合金组织及性能影响的研究

张坤 董洪波 姜智勇 石尚 刘洪骁

南昌航空大学航空制造工程学院

摘 要：

利用金相显微镜(OM), X射线衍射仪(XRD)及差示扫描量热法(DSC)等分析方法,研究了低温时效技术对冷变形后TB8钛合金显微组织和硬度的影响。结果表明:随着变形程度增加合金位错密度不断提高,当冷变形量为20%和40%时,基体晶粒发生塑性变形,晶粒内部产生位错滑移并缠结形成晶内剪切带,同时少量晶粒在晶界处产生破碎现象,并伴有孪晶现象发生,当变形量达到60%时β晶粒碎化现象明显;将变形量为20%的试样经320℃/0.5 h低温时效处理后未发现析出相,当温度升到380℃/1 h时合金中发生了明显的β→α相转变;保温时间影响析出相的数量和尺寸,随着时效时间增加ω相析出量增多并发生长大,合金硬度增加;相对于正常预时效,一定程度的冷变形影响ω相的数量及分布。冷变形低温时效技术使ω相析出和分布更加均匀弥散,可以为后续α相析出提供大量形核质点,起到均匀化晶粒的作用,经冷镦+时效后的TB8钛合金具有更好的综合力学性能。

关键词：

TB8钛合金;冷变形;低温时效;组织性能;

中图分类号： V261;TG146.23;TG156

作者简介：张坤(1992-),男,河南商丘人,硕士研究生,研究方向:钛合金微观组织演变,E-mail:1028101572@qq.com;*董洪波,教授;电话:13065107162;E-mail:donghbo@163.com;

收稿日期：2018-08-12

基金：航空科学基金资助项目(2015ZE56011);南昌航空大学研究生创新专项资金项目(YC2017016)资助;

Effects of Cold-Deformation and Aging Process on Microstructure and Properties of TB8 Titanium Alloy

Zhang Kun Dong Hongbo Jiang Zhiyong Shi Shang Liu Hongxiao

School of Aeronautical Manufacturing Engineering,Nanchang HangKong University

Abstract：

The effects of low temperature ageing technique on microstructure and hardness of TB8 titanium alloy after cold-deformation were investigated by the optical microscope(OM), X-ray diffraction(XRD) and differential scanning calorimetry(DSC). The results showed that with the increase of deformation degree, the dislocation density of the alloy increased continuously, when the cold deformation were 20% and 40%, the matrix grains began to deform plastically, dislocation slip and entanglement occurred in the grains to form intracrystalline shear bands, and a small number of grains began to break up at grain boundaries, accompanied by twinning. And when the deformation ratio achieved 60%, the grain size was refined significantly. The microstructure of the alloy was still a single β phase after treated at a low temperature of 320 ℃/0.5 h. With temperature rose to 380 ℃/1 h, a significant phase transformation occurred in the alloy, analysis showed that the β→α phase transformation occurred at this temperature. The holding time mainly affected the quantity and size of the precipitated phases, the amount of precipitated ω phase increased and the size grew up with the increase of aging time, and the microhardness increased. Meanwhile, compared with normal pre-aging, a certain degree of cold deformation affected the quantity and distribution of ω phase. TB8 titanium alloy obtained better comprehensive performance because ω phase could provide nucleation sites for subsequent α phase precipitation to refine grains at a low temperature aging condition.

Keyword：

TB8 titanium alloy; cold-deformation; low temperature ageing; microstructure and properties;

Received： 2018-08-12

随着近几年我国航天事业的快速发展, 在制造飞行器承力结构件、 高强度紧固件及弹性元件时对金属材料的要求也越来越严格, 普通强度钛合金渐渐满足不了现代工业的发展需求, 因此研究高强韧钛合金的加工工艺技术对推动我国航空航天事业的发展具有积极的意义 ^[1,2] 。

固溶处理后的亚稳β钛合金在冷变形过程中会引入大量的位错以及晶内剪切带, 产生强烈的加工硬化, 但同时塑性、 韧性会降低。 针对亚稳β钛合金, 目前常采用的是冷变形结合再结晶退火工艺 ^[3,4,5,6] 。 再结晶退火处理可以使金属软化并获得均匀细小的β晶粒, 但是冷变形带来的形变强化作用随之消失。 因此, 通过冷变形结合适当的热处理技术获得细小的相变组织是解决该问题的关键。 本实验是在冷变形之后进行低温时效, 一方面, 经低温时效时间后合金仍维持较好的塑性; 另一方面, 低温时效析出的ω相可以为后续正常时效析出α相提供大量均匀分布的形核质点, 从而时效析出稳定的α相会更细小、 分布更弥散。 同时, ω相硬度很高, 变形中可以与马氏体α″及位错相互作用, 可进一步细化晶粒, 大大提高合金强度。

本文以固溶态的亚稳β型TB8钛合金为研究对象, 经冷变形后再经不同时效工艺处理, 分析了冷变形加低温时效技术对TB8钛合金组织及性能的影响规律, 并且探究了不同时效温度和时间对析出相的影响规律, 阐明低温时效工艺条件下的细晶强化机制。 此外, 考虑到20%的变形量在工程应用上已属于大变形, 故本实验只针对此变形量下进行低温时效处理, 其余变形量仅作为参照实验。

1 实 验

实验所用TB8钛合金材料为西安西工大超晶科技发展有限公司生产的棒料。 据产品质量说明书知, 其尺寸规格为Ф12.5 mm×1250 mm, 熔炼方式采用真空自耗3次熔炼, 晶粒度为6.5级, 原始组织如图1所示, 主要成分如表1所示, 利用金相法测定相变温度为820 ℃。 将材料利用线切割为Ф12.5 mm×25 mm冷变形试样, 经定温860 ℃/1 h固溶后, 在高度方向上进行不同变形量的冷变形实验。 冷变形实验使用的设备为YH10-400等温锻造液压机, 凸模的下行速度控制为0.1 mm·s^-1。 在冷变形后加入低温时效技术, 即经过变形量为20%(下压量5 mm)冷变形后, 将冷变形后的试样放到加热炉中进行不同温度和不同保温时间条件下的热处理。 为了验证低温时效对冷变形后试样的性能影响, 同时加入一个直接变形量为40%(即下压量为10 mm)和60%(即下压量为15 mm)的试样。 具体的实验方案和技术路线如表2和图2所示。

将经冷变形和热处理后的试样在砂纸上进行粗磨、 细磨、 机械抛光。 对抛光好的试样采用配方为HF∶HNO₃∶H₂O=1∶3∶6(体积比)的腐蚀液进行腐蚀, 腐蚀时间控制在3～6 s之间, 在XJP-6A金相显微镜(OM)上进行组织观察。 利用X′pert MPD Pro型X射线衍射仪(XRD)测定不同时效处理过程中的相转变, 采用Co靶, 功率为40 kV, 40 mA, 2θ角为20°～80°。 差示扫描量热法(DSC)分析以20 ℃·min^-1恒定加热速率至800 ℃, 并且在Ar气氛中保温。

图1 TB8钛合金原始组织

Fig.1 SEM image of TB8 titanium alloy

表1 TB8钛合金化学成分

Table 1 Composition of TB8 titanium alloy (%, mass fraction)

Mo	Nb	Al	Si	C	Fe	O	Ti
15.09	2.95	3.29	0.21	0.016	0.017	0.11	Bal.

表2 TB8钛合金在不同低温时效条件下冷变形实验方案

Table 2 Cold-deformation experiment of TB8 titanium alloy at different low temperature aging conditions

No.	Solution treatment	Experimental scheme
D1	860 ℃/1 h	20% cold deformation (CD)
D2	860 ℃/1 h	20%CD+320 ℃/0.5 h low-temperature ageing (LTA)
D3	860 ℃/1 h	20%CD+320 ℃/1 h LTA
D4	860 ℃/1 h	20%CD+350 ℃/0.5 h LTA
D5	860 ℃/1 h	20%CD+350 ℃/1 h LTA
D6	860 ℃/1 h	20%CD+380 ℃/0.5 h LTA
D7	860 ℃/1 h	20%CD+380 ℃/1 h LTA
D8	860 ℃/1 h	40%
D9	860 ℃/1 h	60%

图2 技术路线图

Fig.2 Technology roadmap

2 结果与讨论

2.1 不同冷变形变形量下的显微组织分析

一般来说, 冷变形会使合金组织内部产生大量位错等缺陷, 当变形量达到一定程度后, 由于位错的增殖及攀移会出现亚结构, 起到细化组织的作用 ^[7] 。 图3(a)和(b)分别为TB8钛合金20%和40%冷变形后的纵切面微观组织, 由于冷变形的作用使晶粒发生塑性变形。 该合金为体心立方结构金属, 层错能较高, 形变机制主要为位错的滑移。 晶内产生的位错滑移、 缠结形成晶内剪切带, 同时少量晶粒开始产生破碎现象, 并伴有孪晶现象发生。 当变形量增加至60%时(图3(c)), 由于强烈的塑性变形, 原始β晶粒在冷变形方向上明显被压扁、 晶界被拉长并产生破碎现象。 随着变形量的增加合金的内部缺陷密度不断提高, 原始粗大的晶粒内部出现尺寸较小的亚晶结构, 细化了合金组织, 但仍能观察到完整晶粒。

经不同变形量下TB8钛合金的XRD图谱如图4所示。 从图谱中可以看出, 随着冷变形程度的增加, TB8钛合金开始逐渐形成较小的亚晶粒结构, 即表现为β(110)峰的半峰全宽(FWHM)逐渐变宽。 冷变形过程中位错密度不断增加, 亚晶粒的形成依赖于位错的发展, 即塑性变形是亚晶粒形核的动力。 变形合金XRD图谱的半峰全宽值通常被用来评定晶粒尺寸的大小, 由亚晶粒形成或位错滑移诱发而导致的变形晶粒一般很难直接测量出尺寸, 所以FWHM可用于变形中分析晶粒尺寸变化。 随着变形程度的增加, FWHM值也会增加, 表明在塑性变形过程中位错增殖、 滑移逐渐形成亚晶粒结构 ^[8] 。 此外, β(220)峰值随变形量的增加逐渐减小, 表明由于冷变形程度增加, 该合金的晶格逐渐向<011>方向旋转。 变形程度对合金组织的影响主要是通过影响畸变能大小的方式, 变形程度越大, 合金中的畸变能越高, 再结晶形核的驱动力及晶界迁移的驱动力越强, 促使不断产生新的再结晶晶粒 ^[9] 。 当变形量较小时, 合金晶格变化形成斜方马氏体(α″)或六方马氏体相(α′), 产生的晶粒通常会应用在相变诱发塑性 ^[10,11] (TRIP)中, 此现象在钢和其他钛合金中均有报道。

2.2 低温时效对TB8钛合金显微组织的影响

经320 ℃/1 h时效后的显微组织为单一等轴β相(图5(a)), 仍然保留冷变形后晶粒产生的拉长形貌。 当温度升到380 ℃/1 h时(图5(b)), 合金原始β晶粒内出现析出相, 图5(b)黑色部分, 主要在晶内及沿剪切带处析出。

从析出物分布可以看出, 由于冷变形产生的晶内剪切带是析出物聚集析出场所。 由于合金形变在晶内产生了大量位错空位等缺陷, 能量较高, 在缺陷处会降低形核功促进第二相形核, 所以可看到析出相倾向于聚集在晶内剪切带处析出。

如图6所示为320 ℃/0.5 h, 350 ℃/0.5 h及350 ℃/1 h处理后该合金DSC热谱图, 分析其低温时效工艺中的热行为和相转变特性。 整个实验是持续加热的过程, 但在经过350 ℃/0.5 h和350 ℃/1 h时效处理的样品曲线大约在8 min时发生明显放热现象, 一般相转变为放热过程, 即表明经过低温时效处理的样品中发生了相转变。 而在320 ℃/0.5 h处理的样品中没有相同的变化出现, 一直处于吸热状态, 一般认为在该条件下的样品中没有发生相转变, 能量的转变只是用来进行去除应力。 不同低温时效条件下的XRD图谱如图7所示。 其中图7(a)为经过不同温度处理后的XRD图谱, 从图7中可以看出: 温度为320 ℃时合金中衍射峰与冷变形后(图4)的相比几乎没有变化, 衍射峰仍为单相β-Ti的(110), (200)和(211)晶面, 表明在320 ℃/0.5 h的条件下没有发生相转变, 与前面显微组织结果相符。

图3 TB8钛合金在不同冷变形变形量下的显微组织

Fig.3 Microstructure of TB8 titanium alloy under different cold-deformation deformation

(a) 20%; (b) 40%; (c) 60%

图4 TB8钛合金经不同变形量冷变形后的XRD图谱

Fig.4 XRD patterns of TB8 titanium alloy at cold-deformation with different deformation

图5 TB8钛合金经不同低温时效处理后的显微组织

Fig.5 SEM images of TB8 titanium alloy at different low temperature aging treatment

(a) 320 ℃/1 h; (b) 380 ℃/1 h

图6 TB8钛合金经低温时效后的DSC热谱图

Fig.6 DSC thermal spectra of TB8 titanium alloy at low temperature ageing

当温度继续升高至350 ℃后, 出现了ω相(001), (201)等衍射峰, 此时合金中发生β→α相转变。 图7(b)所示为TB8钛合金在350 ℃不同时效时间下的XRD图谱, 当时效时间为0.5 h时, 合金中出现ω相衍射峰, 且衍射峰的峰宽较宽, 表明基体中析出的ω相尺寸较小。 而当时效时间增加至1 h后, ω相衍射峰逐渐变强, 且观察到在合金中除了基体β相和ω相以外并未出现其他相, 说明1 h时效时析出的ω相尺寸发生了长大。 根据低温时效析出理论, 随着时效温度的升高和时效时间的延长合金元素将通过扩散而重新分布, 在与β相有相近合金元素的ω相内，合金元素含量会逐渐下降 ^[12] ，ω相的稳定性随之降低。本实验中的ω相是在低温短时条件下形成，其在基体中是弥散分布的，不仅可以为后续α相析出提供形核质点起到细化晶粒的作用，而且由于其尺寸较小脆化作用不明显，使得合金仍能维持较好的塑性。

图7 不同低温时效条件下TB8钛合金的XRD图谱

Fig.7 XRD patterns of TB8 titanium alloy at different low temperature aging conditions

(a) Different ageing temperature; (b) Different ageing time

图8(a)和(b)为TB8钛合金在380 ℃/1 h和20%CD/380 ℃/1 h低温时效条件下的SEM图。 通过对比两种工艺参数下的SEM组织图可发现, 当温度升至380℃时逐渐析出细小弥散的过渡相ω相, 相对于未经冷变形时低温时效而言, 经20%冷变形后析出的过渡相含量更多且分布更为均匀。 Li等 ^[13] 对其形成机制进行了大量研究, 结果表明: 在二元Ti-Mo合金中利用像差校正高分辨率透射显微镜(HRTEM)和原子探针断层扫面(APT)等先进表征技术验证了通过混合模式位移-扩散机制能够形成等温ω相, 形成的等温ω相的大小约为 50～100 nm, 具有椭球体和立方体两种形状。 但是在Ti-Mo二元体系中很难确定ω相的形成是否涉及Mo分配, 因为观察到的Mo排斥可能由形成ω相之前的调幅分解产生, 所以一般认为等温ω相是通过扩散主导机制形成的。

通过对比基体与析出相做能谱(EDS)分析可知, 两相差别较大的为Si元素。 基体β相含有微量Si元素, 而析出相及附近的Si元素质量分数达到0.62%, 是原始基体的Si元素含量的3倍, Si元素含量明显提高。 有文献 [ 14] 研究表明, TB8钛合金基体β相含有微量而析出的相含有较多的Si元素, 与此处研究结果相符。 该合金经过固溶处理后为亚稳β相组织, 在低温时效时由于形核驱动力不足无法形成稳定的相而会产生一种不稳定的过渡相(图中白色颗粒状物质)。由析出相元素分析可知该过渡相与稳定的相成分相似，表明该过渡相与相之间的析出关系—过渡相为相正常析出提供形核点。故结合对该时效状态下的试样进行XRD,DSC分析及SEM下的形貌观察，更进一步判定该时效温度下析出的白色颗粒状过渡相为ω相，同时也验证了在不同低温时效条件下ω相的析出特性。

图8 TB8钛合金经低温时效后的SEM图像

Fig.8 SEM images of TB8 titanium alloy at low temperature ageing

(a) 380 ℃/1 h; (b) 20%CD/380 ℃/1 h

2.3 冷变形+不同条件低温时效条件后的硬度分析

如图9所示为不同热处理参数下的硬度变化曲线。 从图9中可以看出, 随着时效时间和时效温度的增加该合金的显微硬度呈上升趋势, 进一步验证了相的存在及作用。 只经过20%冷变形硬度相对于冷变形+低温时效硬度低, 表明低温时效析出的相增大了合金硬度。 相为脆性较大的硬质相, 其时效析出可对基体的塑性变形起到钉扎作用进而提高合金的硬度和强度。 随着时效温度和时间的增加, 析出的相的数量及形态均为增长趋势, 故合金的显微硬度也呈现出增大趋势, 这与显微组织观察及XRD的结果相符, 即相的析出量及形态影响合金的硬度。

此外, 随着变形量的增加硬度值逐渐增大, 即发生形变硬化现象。 根据Hall-Petch公式 ^[15] : σ_s=σ₀+kd^-1/2, 其中: d为晶粒的平均尺寸; σ₀为点阵摩擦力; k为材料常数, 取决于开动一个位错源所需应力τ_n和位错被钉扎的程度。 从式中可以得出: 晶粒尺寸d越小, k越大, 材料的强度σ_s就越大。 结合显微组织(图3)可知, 经过变形后晶粒由等轴晶逐渐被压扁, 变形量达到60%时晶界被拉长甚至产生破碎。此阶段细晶强化起主要作用，冷变形过程中晶粒在外力作用下尺寸明显减小，晶粒数目增多，导致晶界增多，且晶内与晶界产生大量位错，位错密度增大，其运动受到阻碍，合金硬度增大。此外，由于该合金时效态基体析出细小相造成位错塞积使强度和硬度明显提高 ^[16] 。

图9 不同热处理工艺后硬度曲线

Fig.9 Microhardness curve at different hot treatment

3 结 论

1. 由于冷变形的作用使晶粒发生塑性变形, 晶内产生的位错滑移形成晶内剪切带, 同时少量晶粒开始产生破碎; 当变形量增加至60%时, 由于强烈的塑性变形, 原始晶粒在冷变形方向上明显被压扁、 晶界被拉长并产生破碎现象, 并出现亚结构。

2. 随着预时效温度的提高合金中发生β→ω相转变; 保温时间影响着析出相的数量和尺寸, 随着时效时间增加ω相析出量增多, 尺寸发生长大, 显微硬度增加; 相对于正常预时效, 一定程度的冷变形可使ω相析出量增多, 且分布更加均匀。

3. 在20%CD/380 ℃/1 h低温时效条件下析出均匀弥散ω相, 不仅可以为后续正常时效α相析出提供形核质点使α相均匀形核, 而且由于其尺寸较小脆化作用不明显, 使合金仍能维持较好的塑性。

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