文章编号：1004-0609(2010)S1-s0032-04

Ti-55钛合金连续冷却转变曲线的测绘及显微组织的演变

方  波¹，陈志勇²，陈仲强¹，刘军和³，王清江²，刘  艳¹，冯贞伟³，

刘建荣²，宋玺玉¹，魏明霞¹，胡井祥¹

(1. 中航工业沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司，沈阳 110043；

2. 中国科学院 金属研究所，沈阳 110016；

3. 中国人民解放军驻黎明公司军代表室，沈阳 110043)

摘  要：通过Gleeble热模拟实验，测绘Ti-55钛合金的连续冷却转变曲线(CCT图)。结果表明：当冷速由0.1 ℃/s加快到150 ℃/s时，Ti-55钛合金中主要发生β→α与β→α′的相转变过程，其中β→α′转变开始的临界冷速为      5 ℃/s左右，Ti-55钛合金中马氏体转变开始温度为855 ℃，转变结束温度为818 ℃。

关键词：连续冷却转变曲线；马氏体相变；Ti-55钛合金

中图分类号：TG146.23　　     文献标志码：A

Continuous cooling transformation diagram and microstructure evolution of Ti-55 alloy

FANG Bo¹, CHEN Zhi-yong², CHEN Zhong-qiang¹, LIU Jun-he³, WANG Qing-jiang², LIU Yan¹, FENG Zhen-wei³,  LIU Jian-rong², SONG Xi-yu¹, WEI Ming-xia¹, HU Jing-xiang¹

(1. AVIC Shenyang Liming Aero-engine (Group) Corporation, Ltd., Shenyang 110043, China;

2. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China;

3. Office of Chinese Peoples Liberation Army in Shenyang Liming Aero-engine (Group) Corporation, Ltd.,
 Shenyang 110043, China)

Abstract: The continuous cooling transformation (CCT) diagram of Ti-55 titanium alloy was plotted and the microstructure evolution of this alloy during cooling was discussed. The results show that when the cooling rate increases from 0.1 ℃/s to 150 ℃/s, there mainly exist two phase transformations, β→α and β→α′. It is also shown that the critical cooling rate of the beginning of β→α′ phase transformation is 5 ℃/s, the starting temperature of martensitic transformation is about 855 ℃ and the finishing temperature is about 818 ℃.

Key words: continuous cooling transformation diagram; martensitic transformation; Ti-55 alloy

连续冷却转变曲线图，简称CCT曲线图，系统地表示冷却速度对材料相变开始点、相变结束点、相变进行速度和组织形成的影响情况。一般的热处理、形变热处理、热轧材的控制冷却等生产工艺，均是在连续冷却的状态下发生相变的。根据连续冷却转变曲线，可以选择最适当的工艺规范，以得到合适的组织，提高材料的强度和韧性。

Ti-55钛合金是我国自主研制的近α型高温钛合金，为了提高其高温工作环境下的综合力学性能，合金中添加了多种合金元素，因而其相变过程复杂，影响因素较多。有关高温钛合金的文献中，关于CCT曲线的报道很少，早期的文献中曾给出了近α型及α+β型钛合金的CCT图^[1-2]，但实际的相变过程也存在一定的偏差^[3]。由于工程化应用的需求，Ti-55钛合金零部件之间需用焊接代替传统的铆接，以提高推重比，改善零部件工作效率。本研究的目的主要是通过测定Ti-55合金的CCT曲线，预测不同冷速条件下合金的相变过程及最终的显微组织状态，为制定Ti-55钛合金的焊接工艺参数，改善焊接接头的显微组织和力学性能提供理论基础及实验指导。

1  实验

1.1  实验材料

本实验所用Ti-55钛合金是一种近α型高温钛合金，其名义化学成分为Ti-5.6Al-3.5Sn-3Zr-0.5Mo- 0.3Si-0.4Nb-0.4Ta，β转变温度为1 010 ℃。热模拟实验前的显微组织如图1所示，主要由变形的初生α相组成。

供货态的材料为d50 mm的Ti-55合金棒材。

图1  实验前Ti55钛合金的显微组织

Fig.1  Microstructure of Ti-55 alloy before testing

1.2  实验设备与方法

连续冷却实验在 Gleeble3800热模拟实验机上进行，整个试验过程在氩气保护下进行，以防止高温下试样被氧化。试样的两端采用Ta片润滑，不仅能减小摩擦对试样应力状态的影响，还能降低试样两端热量的损失，有利于试样的均匀变形。试样采用电阻加热法进行加热，并由焊于试样中部的铂金一铂锗热电偶来控制和测量试样的温度，升温速率为5 ℃/s，并在设定的温度下保温10 min；然后，按照设定的冷却速度进行冷却。将Ti-55钛合金试样置入Gleeble 3800热/力模拟试验机的真空室中，加热到1 120 ℃后保温，再分别以0.1、5、30、50、150 ℃/s连续冷却到室温。在连续冷却过程中，高温相即发生相应的转变，在膨胀曲线上可以记录相应冷却速度下，转变开始点和转变结束点的温度。然后，以温度为纵坐标，时间为横坐标，将相同性质的相转变开始点和结束点分别连成曲线，得到Ti-55钛合金的连续冷却转变曲线图。

2  结果与讨论

2.1  CCT曲线的测绘

图2所示为不同冷速条件下Ti-55钛合金的  CCT曲线。由图2可知，当冷速从0.1 ℃/s增加到   150 ℃/s时，Ti-55合金中主要发生了2个相变过程：β → α转变及β → α′的转变。将图2的局部放大于图3中来分析相变的临界条件。由图3可知，当冷速小于图中虚线C(5~10 ℃)时，冷却过程只发生β → α转变，转变的最终产物为β 相和α相；当冷速大于C小于 30 ℃/s时，冷却过程中除了β → α转变，还开始发生β → α′的转变，转变的最终产物为β相、α相和α′相马氏体的混合组织；当冷速大于30 ℃/s时，只发生β → α′转变，最终产物为α′相马氏体。由图3还可以看出，马氏体转变开始温度为855 ℃，转变结束温度为  818 ℃。

图2  Ti-55钛合金的CCT曲线

Fig.2  Continuous-cooling transformation diagram of Ti-55 alloy

图3  Ti-55钛合金的局部CCT曲线

Fig.3  Parts of continuous-cooling transformation diagram for Ti-55 alloy

图4  不同冷速下Ti-55钛合金的显微组织

Fig.4  Microstructures of Ti-55 alloys at different cooling rates: (a) 0.1 ℃/s; (b) 5 ℃/s; (c) 30 ℃/s; (d) 50 ℃/s

2.2  显微组织演变与CCT曲线的修正

通过对不同冷速下试样的显微组织进行金相观察，可以验证Gleeble热模拟实验所得出的CCT曲线的可靠性。分别选取冷速为0.1、5、30和50 ℃/s的试样，观察其显微组织，如图4所示。由图4可以看出，当冷速为0.1 ℃/s时，显微组织为典型的α板条和β相组成的片层状组织(见图4(a))；当冷速为5 ℃/s时，显微组织中出现少量的细长的针状α′相马氏体(见图4(b))，表明此时已经开始发生马氏体相变。图2和图3所示的Gleeble热模拟所测得的CCT图还是存在一定的偏差，在5 ℃/s左右就已经开始发生马氏体相变；当冷速为30 ℃/s时，显微组织中由大量针状的马氏体组成(见图4(c))；而当冷速为50 ℃/s时，显微组织则完全由α′相马氏体组成(见图4(d))。

图5所示为不同冷速(0.1~50 ℃/s)下Ti-55钛合金的显微硬度变化。由图5可以看出，随着冷速的加    快，显微硬度值逐渐增大。这是由于随着冷却速度的增加，显微组织中马氏体组织的数量逐渐增加所致，显微硬度的变化趋势与图4中观察到的显微组织演变相符合。

图5  Ti-55钛合金不同冷速下的显微硬度

Fig.5  Microhardness of Ti-55 alloy at different cooling rates

3  结论

1) 通过对Ti-55钛合金CCT曲线的测定可知，当冷速从0.1 ℃/s增加到150 ℃/s时，Ti-55钛合金中主要发生2个相变过程：β → α转变及β → α′的转变，其中β → α′转变开始的临界冷速为5 ℃/s左右。

2) 从CCT曲线可知，马氏体转变开始温度为855 ℃，转变结束温度为818 ℃。

REFERENCES

[1] BAESLACK Ш W A, BECKER D W, FROES F H. Advances in titanium alloy welding metallurgy[J]. J Metals, 1984, 36: 46-58.

[2] MITCHELL D R, TUCKER T J. The properties and transformation characteristics in welds in Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo titanium alloy[J]. Weld J, 1969, 48: 23s-33s.

[3] BAESLACK Ш W A, MULLINS F D. Cooling rate effects in Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo weldments[J]. Metall Trans A, 1984, 15: 1948-1952.

(编辑 杨 华)

通信作者：方  波，高级工程师；电话：024-24384091; E-mail: zhiyongchen@imr.ac.cn