文章编号：1004-0609(2010)S1-s0229-04
热处理对铸造Ti-23Al-17Nb合金组织和拉伸性能的影响
韩积亭，程云君，梁晓波，张建伟，李世琼
(钢铁研究总院，北京100081)
摘 要：
在1 000 ℃和1 020 ℃对铸造合金保温3 h后空冷，研究不同热处理温度对铸造Ti-23Al-17Nb(摩尔分数，%)合金组织和拉伸性能的影响。结果表明：铸造合金为等轴晶，晶界和晶粒内均析出呈网篮状魏氏组织的α2板条；经热处理后，晶粒内细小的α2板条充分析出，晶界处连续的α2相断开；随着处理温度的提高，析出的α2板条数量随之减少，板条宽度随之增加；热处理能提高合金的抗拉强度和伸长率，经1 020 ℃，3 h，AC热处理后试样的伸长率达到4%，其拉伸断口主要是由沿晶断裂和准解理断裂组成。
关键词：
中图分类号：TG292 文献标志码：A
Effect of heat treatment on microstructure and tensile properties of cast Ti-23Al-17Nb alloy
HAN Ji-ting, CHENG Yun-jun, LIANG Xiao-bo, ZHANG Jian-wei, LI Shi-qiong
(Central Iron & Steel Research Institute, Beijing 100081, China)
Abstract: The cast alloy was insulated at 1 000 and 1 020 ℃ for 3 h and then air-cooled. The effect of heat treatment temperature on the microstructure and tensile properties of cast Ti-23Al-17Nb (mole fraction, %) alloy were investigated. The results show that the macrostructure of the cast alloy is equiaxed grain. The lath α2 phase precipitated in the alloy exhibits a fine basket weave Widmanstatten microstructure. After heat treatment, the α2 phase precipitates more than the cast alloy, and the α2 phase in boundary is disconnected. With the increase of temperature, the quantity of the α2 phase decreases, but its width increases. Heat treatment can improve the tensile strength and elongation of the alloy. After heat treatment at 1 020 ℃ for 3 h, AC, the elongation of sample reaches 4%. The tensile fracture consists of intergranular fracture and cleavage fracture.
Key words: Ti-23Al-17Nb alloy; heat treatment; microstructure; tensile property
Ti3Al基金属间化合物具有密度低，比强度高及其它优异的高温性能，是航空、航天飞行器理想的轻质高温结构材料[1]。钢铁研究总院研制的Ti-23Al-17Nb合金是一种Ti3Al基合金，具有优良的力学性能和抗氧化性能。用以替代高温合金或耐热不锈钢，质量减轻达40%，对提高航空发动机的推重比和航天发动机的有效发射载荷具有重要意义[2-3]。现已开始为航天部门小批量供货。目前该合金主要的成型手段是冷热变形，存在加工难度大、成本较高以及生产周期长等问题。
近年来，随着热等静压和特种热处理工艺在铸件中的应用，钛合金铸件的质量和性能以及可靠性都提高较大[4]。而铸造具有成本低，尺寸精确，可生产形状复杂部件的优势。因此，发展铸造Ti-23Al-17Nb合金能有效降低成本，实现结构复杂的构件的途径之一。本文作者浇注了Ti-23Al-17Nb合金铸棒，进行不同温度的热处理，研究组织变化和拉伸性能，以期对该类合金铸件的开发和应用提供一定的依据。
1 实验
按照合金的名义成分配料，采用两次真空自耗熔炼制备母合金，再用2 kg真空感应悬浮炉浇注 d40 mm×200 mm圆棒，模具选用石墨模具。取样方法为沿圆棒轴向方向，靠外壁取尺寸d12 mm×60 mm的试样。选择1 000 ℃和1 020 ℃两个热处理温度，保温3 h后空冷。对试样轴向截面进行金相观察。侵蚀剂为2%HF+5%HNO3+93%H2O(体积分数)溶液。金相观察在Leica(OM)下进行。在INSTRON-1186机器上进行拉伸性能试验。用JEOL JSM-6480LV扫描电子显微镜观察断口的形貌。
2 结果与讨论
合金的铸态金相组织如图1所示。由图1(a)可知，铸态Ti-23Al-17Nb合金为等轴晶，晶粒平均尺寸约 1 mm。图中还有一些颜色较深的斑点，是该区域的 α2板条含量比其他区域的少造成的。图1(b)所示为铸态的微观组织，晶粒内部有α2板条析出，也有少量的块状α2相析出。组织为β/B2相基体和α2板条形成的网篮状魏氏组织。晶界呈现白色，主要是α2相富集在晶界上，呈条状或羽毛状。
图1 合金铸态的金相组织
Fig.l Optical structures of cast alloy: (a) Macrostructure; (b) Microstructure
对比铸态组织和其热处理后的组织发现，经1 000 ℃处理后，α2板条充分析出，数量比铸态组织的α2相有所增加(见图2(a))，晶界上的α2相部分断开。随着处理温度的增加，析出的α2相含量相应减少，但α2板条也发生粗化，晶界上更多的连续α2相断开，如图2(b)所示。
参考Ti3Al的相图[5]，该合金凝固顺序为L→β/B2→α2+β/B2。由于凝固过程为固溶体的非平衡凝固，先凝固的β/B2相对于合金名义成分Nb含量偏高，而Al含量低[6]。由于α2相的成分相对于名义成分Al含量偏高而Nb含量偏低，则在先凝固的β/B2相中很难析出α2板条，因此，在宏观组织上出现一些颜色较深的斑点。在热处理过程中，这种偏析现象并没有得到缓解。
较高的处理温度可以提供更多的能量，使得元素和相界的迁移能力增强， 因此也就有更多的机会吞并其附近的细小晶粒。随着处理温度从1 000 ℃升高到 1 020 ℃时，α2相含量减少，但α2板条发生粗化[7]。
图2 不同温度处理后合金的金相组织
Fig.2 Optical microstructures of alloy after different heat treatments: (a) 1 000 ℃, 3 h, AC; (b) 1 020 ℃, 3 h, AC
对3种状态的合金进行室温拉伸试验，结果列在表1中。由表1可以看出，未经过热处理的合金，强度和伸长率都要比经过热处理的合金低。而处理温度从1 000 ℃升到1 020 ℃后，强度下降明显，约降低60 MPa，塑性略有提升。
对热处理后的合金进行650 ℃拉伸试验，其结果如表2所列。在650 ℃时，合金的抗拉强度还保持在660 MPa以上，而且保持稳定的塑性。两种热处理制度对高温拉伸性能的影响区别不大。
表1 热处理合金的室温拉伸性能
Table 1 Tensile properties of heat treated alloy at room temperature
表2 650 ℃时合金的拉伸性能
Table 2 Tensile properties of alloy at 650 ℃
铸态合金的强度和塑性都低，这是因为合金组织为非平衡凝固组织，α2板条没有充分析出，而且在晶界上富集α2相。α2相是脆性相，使得晶界变弱，导致合金的塑性下降[8]。与热处理组织比较发现，经1 000 ℃保温3 h空冷后，晶粒内的板条充分析出，由细小α2板条组成的网篮状组织，这种组织具有较高的强度和塑性[9]。在经1 020 ℃热处理的组织中，α2板条发生粗化，更多的晶界断开。这种组织导致合金的强度略有下降，塑性要优于1 000 ℃处理组织的。
对拉伸试样断口进行扫描观察，发现大部分断口有明显的裂纹起源区和裂纹扩展区[10]，如图3(a)所示，一般裂纹起源于试样边缘，内部气孔也会形成裂纹源。在裂纹起源区断口比较平整，为沿晶解理断裂，如图3(b)所示。在裂纹扩展区域，有沿晶断裂，也有穿晶的准解理断裂，局部地方出现了二次裂纹和剪切带，如图3(c)所示。
图3 室温时试样的拉伸断口形貌
Fig.3 Tensile fracture morphologies of sample at room temperature: (a) Macro fracture morphology; (b) Intergranular cleavage fracture; (c) Secondary cracks
虽然铸态Ti-23Al-17Nb合金表现出良好的力学性能，但合金的流动性差。提高铸造温度有利于提高流动性，减少气孔，获得致密的组织，还可加入增加流动性的元素，提高该合金的铸造性能。加入细化晶粒的元素，可获得更好的综合性能。
3 结论
1) 铸态Ti-23Al-17Nb合金为网篮状魏氏组织，经热处理后α2相数量有所增加。随着热处理温度提高，析出α2相的含量有所减少，板条宽度增加，晶界α2断开程度增加。
2) 热处理提高铸态Ti-23Al-17Nb合金强度和塑性，室温塑性可达4%。高温强度不低于660 MPa，塑性稳定在8%左右。
3) 铸态Ti-23Al-17Nb合金拉伸性能基本达到一些航空航天部件的使用要求。但还存在一些问题，需要进一步改善。
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