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热处理对新型β钛合金组织与性能的影响

来源期刊：稀有金属2016年第5期

论文作者：尹仁锟王庆娟高颀王鼎春杨奇何丹

文章页码：415 - 420

关键词：亚稳β钛合金;热处理;显微组织;拉伸性能;

摘要：合理的热处理制度能显著影响β钛合金的显微组织和强化行为。通过对一种新型Ti-Al-V-Mo-Cr-Zr-Nb-Fe亚稳β钛合金的固溶时效处理,研究了热处理工艺对该合金组织与力学性能的影响。结果表明:该合金720℃固溶处理后,可以获得单一均匀的等轴β晶粒,为最佳固溶温度;经440⁵20℃时效处理后,发现时效温度对该新型合金α相析出的形态与尺寸的影响显著:在较低温度440℃时效时β基体上有针状α相析出,平均晶粒尺寸在1²μm左右;较高温度520℃时效时,α相宽度和片层间距都增大,α相尺寸长大到3⁵μm,针状α相向短棒状转化。在实验温度范围内,随着时效温度升高,合金强度降低,塑性增加。720℃固溶较低温度时效合金可获得较好的强度与韧性匹配。该合金理想的热处理工艺参数为720℃/30 min、空冷（AC）+440℃/12 h、空冷（AC）,由此可获得到良好的综合性能（抗拉强度UTS=1412.8 MPa,屈服强度YS=1309.4 MPa,延伸率A=8.56%,断面收缩率Z=44.94%）。

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网络首发时间: 2015-04-07 11:14

稀有金属 2016,40(05),415-420 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2016.05.002

热处理对新型β钛合金组织与性能的影响

尹仁锟王庆娟高颀王鼎春杨奇何丹

西安建筑科技大学冶金工程学院

宝钛集团有限公司研究院

摘要：

合理的热处理制度能显著影响β钛合金的显微组织和强化行为。通过对一种新型Ti-Al-V-Mo-Cr-Zr-Nb-Fe亚稳β钛合金的固溶时效处理,研究了热处理工艺对该合金组织与力学性能的影响。结果表明:该合金720℃固溶处理后,可以获得单一均匀的等轴β晶粒,为最佳固溶温度;经440~520℃时效处理后,发现时效温度对该新型合金α相析出的形态与尺寸的影响显著:在较低温度440℃时效时β基体上有针状α相析出,平均晶粒尺寸在1~2μm左右;较高温度520℃时效时,α相宽度和片层间距都增大,α相尺寸长大到3~5μm,针状α相向短棒状转化。在实验温度范围内,随着时效温度升高,合金强度降低,塑性增加。720℃固溶较低温度时效合金可获得较好的强度与韧性匹配。该合金理想的热处理工艺参数为720℃/30 min、空冷(AC)+440℃/12 h、空冷(AC),由此可获得到良好的综合性能(抗拉强度UTS=1412.8 MPa,屈服强度YS=1309.4 MPa,延伸率A=8.56%,断面收缩率Z=44.94%)。

关键词：

亚稳β钛合金;热处理;显微组织;拉伸性能;

中图分类号： TG146.23;TG166.5

作者简介：尹仁锟(1990-),男,陕西汉中人,硕士研究生,研究方向:钛合金热处理;E-mail:yrkhai123@163.com;;王庆娟,教授;电话:13992855295;E-mail:jiandawqj@163.com;

收稿日期：2014-12-01

基金：国家自然科学基金项目(51104113);中国博士后科学基金项目(212M511981);陕西省教育厅服务地方专项计划项目(14JF013)资助;

Microstructure and Mechanical Properties of New Beta Titanium Alloy with Heat Treatment

Yin Renkun Wang Qingjuan Gao Qi Wang Dingchun Yang Qi He Dan

School of Metallurgical Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology

Institute of Baoji Titanium Industry Group Co.,Ltd.

Abstract：

Reasonable heat treatment could significantly affect the microstructure and strengthening behavior of beta titanium alloy.The effects of heat treatment on the microstructure and mechanical properties of a new type Ti-Al-V-Mo-Cr-Zr-Nb-Fe beta titanium alloy treated with solution and aging treatment were investigated. The results indicated that the best solution temperature of the new alloy was720 ℃,which could obtain single and uniform β phase. After aging at 440 ~ 520 ℃,it was found that the aging temperature had a great influence on morphology and size of α phase. The fine acicular-shape α phase precipitated in β matrix at lower temperature,and the average size was around 1 ~ 2 μm; when aging at high temperature of 520 ℃,the width and layer spacing of α phase increased,the grain size grew up to 3 ~ 5 μm,and needle α phase transformed into short rod-like. In this case,with the increase of temperature,tensile strength decreased and ductility increased. The best balance of strength and plasticity properties could be obtained for the alloy with solution at 720 ℃ and aging at lower temperature. 720 ℃ /30 min,air cooling( AC) + 440 ℃ /12 h,AC were optimal heat treatment process parameters,under which this alloy could achieve excellent comprehensive mechanical properties( UTS( ultimate tensile strength) = 1412. 8 MPa,YS( yield strength) = 1309. 4 MPa,A( elongation) = 8. 56%,Z( reduction of area) = 44. 94%).

Keyword：

metastable β titanium alloy; heat treatment; microstructure; mechanical property;

Received： 2014-12-01

β钛合金具有优异的冷热成形性、高比强度、深淬透性及良好的耐腐蚀性,被广泛应用于航空航天工业、汽车制造、海洋工程、能源工程等领域^[1,2,3,4]。β钛合金经固溶处理后会产生一定数量的亚稳定相,在随后的时效过程中这些亚稳定相会发生分解,析出尺寸细小且均匀分布的弥散相,达到使合金强化的效果,合理的固溶时效工艺可使β钛合金获得良好的强度与塑性匹配^[5,6,7,8]。目前,通过固溶时效热处理工艺改善材料性能是β钛合金的一个研究热点,受到越来越多研究者的关注。Shashi等^[9]研究发现Ti-5553合金在α+β区固溶时效相比β区处理可以获得更好的强度与塑性,随着时效温度的增加和时间的延长,针状α相粗化,合金强度降低,塑性提高。Cheng等^[10]研究了热处理对Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al合金组织性能的影响,结果表明经α/β固溶+时效处理后晶界处析出链状初生α相,晶内析出纵横交错的细小次生α相,强度可达1200~1500 MPa,同时保证了优良的塑性。因此,制定出合理的热处理工艺是控制和影响β钛合金组织及性能的重要环节。本文以一种新型β钛合金为研究对象,研究了固溶时效处理对该新型合金组织与力学性能的影响,为获得该合金合理的热处理工艺和稳定的组织结构提供参考。

1实验

实验材料为一种新型β钛合金,合金成分为Ti-3Al-8V-4Mo-4Cr-4Zr-2Nb-2Fe(%,质量分数)^[11]。通过连续升温金相法测得合金的相变点为(705±5)℃。由β钛合金钼当量的经验公式^[12],计算得到该合金钼当量[Mo]_eq=21.0,为典型亚稳定β钛合金。采用3次真空自耗电弧炉熔炼,经1150℃开坯、850℃锻造、轧制得到直径Ф13 mm的合金棒材。实验选取相变点以上和以下4个温度(680,700,720和740℃)对轧制后棒材进行30 min固溶处理(ST)后,在440~520℃范围内进行时效处理12 h,冷却方式均为空冷(AC),具体实验方案如图1所示。

图1 合金热处理制度Fig.1 Heat treatment schedule of alloy

(AC:air cooling;ST:solution treatment)

从热处理后棒材上用线切割切取试样,进行拉伸性能测试和显微组织观察。室温拉伸试验采用圆柱型标准试样,标距25 mm,直径Ф5 mm,在WDW100型电子拉伸试验机上进行。显微硬度测试采用401MVD型数显显微硬度计(载荷1.961N)。金相腐蚀剂3%HF+30%HNO₃+67%C₃H₆O₃配比溶液,试样经抛光腐蚀后分别采用OLYMPUS PMG3,JSM-6700进行金相(OM)和扫描电镜(SEM)组织观察。

2结果与讨论

2.1合金固溶后显微组织

为得到优异的性能指标,大多数β钛合金在时效处理前都要经过固溶处理,使合金的成分组织均匀化,并强化时效响应。根据不同的需要,固溶处理可以在合金的β相转变温度以下进行,也可以在β相转变温度以上进行^[13]。图2为合金经固溶处理后的组织形貌,从图2(a,b)可看出,在相变点之下进行固溶处理时,可以观察到有初生α相分布于β晶粒的晶界与晶内,α相的析出在一定程度上可提高合金的强度。随着固溶温度的升高,初生α相逐渐溶解,其含量越来越少,当温度达到720℃时,α相已完全溶解,得到完全的等轴β晶粒组织。当在相变点之上进行固溶处理后,β基体开始重新形核并长大,固溶温度越高,晶粒长大越快。如图2(c,d)所示,β晶粒平均尺寸由720℃时的20μm长大到740℃的50μm左右,可见初生α相能有效阻止β基体的长大。正是如此,钛合金固溶温度一般选择在相变点附近,且不宜高出相变点太高^[14],本实验合金最佳固溶温度选取720℃。

图2 合金固溶处理后的显微组织Fig.2 OM images of alloy after solution treatment

(a)660℃/30 min AC;(b)680℃/30 min AC;(c)720℃/30 min AC;(d)740℃/30 min AC

图3为合金经固溶处理后的XRD图谱分析,其中图3(a)和(b)为相变点以下固溶30 min后空冷,图3(c)和(d)为相变点以上固溶30 min后空冷。在相变点以下固溶处理后,可观察到有明显的α相和β相衍射峰,说明此温度下的相组成为α相和β相。对比图3(a,b)固溶后的衍射峰可以发现,660℃时α衍射峰强于680℃时的α衍射峰。相变点以下固溶组织与热轧态相比,出现了大量α相,这些α相是由亚稳β相在加热过程中分解而成。α相在β相中很难直接形核,需要经过一些中间分解过程,由生成的一些过渡相再转化为平衡的α相。在加热温度较低时,β相能发生调幅分解,分解成无数溶质原子贫化区β'和与其相邻的溶质原子富集区β,这两种相都为体心立方结构,但成分却不同。随加热温度的升高,在溶质原子贫化区析出ω或α"作为过渡相,最后再分解成为平衡的α+β组织^[15,16]。从图3(c,d)中可以看出,经相变点之上固溶处理后,只观察到β相的三强衍射峰,说明此温度下的组织为单一的β相。这是因为实际上固溶后冷却到室温,平衡相为α+β,但相变点以上固溶后的空冷过程中抑制了α相的析出,产生的β相属于亚稳β相。通过XRD分析进一步验证了该合金显微组织中的观察结果,说明在相变点之上固溶处理后,可得到单一β相,相变点以下固溶处理得到的相组成为α相和β相,温度越低,α相含量越高。

2.2时效温度对合金组织影响

图4为合金在720℃固溶后经不同温度时效12 h空冷后的SEM组织形貌。从图4中可以看出,合金经440~520℃时效12 h后组织由α相和β相组成,α相呈针状析出,相互纵横交错分布,其精细结构为平行片层状。在平行排列的片层结构之间还存在一些细小的α相,长针状α相和短针状α相混在一起,形成60°夹角,以“轮胎花纹”的形式在β晶内长大。这种α相形貌在罗媛媛^[17]研究Ti-B19合金时也有发现。这种生长使α相的取向变得复杂,材料强度处于较高水平,具有很高的强化效应。β晶界上的析出比较密集,一边是以一定角度沿晶界析出比较紧密的长针状α相,一边析出短的针状α相。低温时效时α相多呈针状,高温时效多呈颗粒状。440℃析出的α相尺寸细小且分布均匀,平均晶粒尺寸在1~2μm左右。而520℃时效组织析出明显比440℃时效的组织粗大,形成的α相宽度和片层间距随温度升高而增大,α相尺寸达3~5μm,针状α相向短棒状转化。

图3 合金经固溶处理后的XRD图谱Fig.3 XRD patterns of alloys after solution treatment

(a)660℃/30 min AC;(b)680℃/30 min AC;(c)720℃/30 min AC;(d)740℃/30 min AC

图4 合金在720℃固溶后经不同温度时效12 h空冷后的SEM形貌Fig.4 SEM images of alloys after 720℃solution and aging at different temperatures

(a)440℃;(b)480℃;(c)500℃;(d)520℃

这是因为当时效温度较低时(440℃),由于理论析出温度和实际时效温度差值大,形核驱动力增大,α相形核容易,但扩散困难,不易长大,从而形成细小弥散的α相。随着时效温度升高(520℃),α相由于过冷度小而形核困难,长大容易,这样得到的α相尺寸较大,体积分数有一定下降。同时,当时效温度升高后,原子活动剧烈,低温时效后析出的细小弥散相开始长大,使界面能大幅度增加,较高的界面能为α相团聚及粗化提供了所需的驱动力。在实际的β钛合金析出过程中,以沉淀物数量减少为特征的粗化过程通常伴随着扩散区平均长度的增大^{[18,19,20,21]}。因此在α析出的粗化阶段,颗粒尺寸总是增大,但其增大速率与长大阶段相比要慢一些。无论是长大还是粗化,α相的尺寸都正比于溶质在β相中的扩散系数及保温时间,大量实验表明,金属与合金中扩散系数D与温度符合Arrhenius关系^[22]:

式中,D₀为指数前因子;Q为扩散激活能。D₀和Q与扩散体系有关,Q一般与温度无关。由式(1)可知,随温度的升高,扩散系数急剧地增加。因此时效温度较高时,α相的长大与粗化速率较高。

2.3时效温度对合金性能的影响

一般情况下,在较低温度时效时会析出等温ω相,使合金变脆;而时效温度过高会导致晶粒尺寸快速长大,塑性受到影响。因此β钛合金的时效温度一般选择在450~600℃范围内,考虑到本实验中使用的钛合金相变点较低(705℃),为了充分实现合金的强化效果,将最低时效温度降低至440℃,最高温度选定为520℃,通过实验对比选择所需的强度和塑性匹配。

合金经过不同温度固溶和440,460,480,500,520℃时效后的显微硬度值变化如图5(a)所示。总体上看,在相同的固溶温度下,时效后合金的硬度都随时效温度的升高而降低;而在相同的时效温度下,相变点以上固溶能比相变点以下得到更好的硬化效果。合金在720℃固溶+440℃时效后显微硬度值最大达到HV 416左右。对比显微组织(图4)可以看出在720℃固溶+440℃时效12 h后合金组织析出更均匀,且析出的针状α相的尺寸更细小,具有很高的硬度。

图5(b)为合金在720℃固溶+不同温度时效12 h后的拉伸性能曲线,显示了空冷后不同时效温度对合金拉伸性能的影响。比较同一固溶温度不同时效温度下的拉伸性能曲线可以看出,在720℃固溶时效时,随着时效温度从440℃上升到480℃,合金抗拉强度和屈服强度略微降低。这种变化是因为在480℃时原子扩散速度较快,抵消了大部分因相变驱动力较小带来的弱化作用,所以合金的强度只有略微降低;当时效温度高于480℃,合金强度急剧下降,而塑性显著增强。此时,合金的强度取决于析出α相的体积分数和尺寸大小。从动力学上看,时效温度升高,原子扩散速度较快,即使在较小的相变驱动力下也可较快的完成β相向α相的转变,之后在同样的时效时间内α相开始长大变粗。而另一方面,其断面收缩率及延伸率逐渐升高。这是由于时效温度升高,β基体内析出的次生α相的数量会减少,片层间距增大,从而导致合金塑性提高,强度降低^[23]。

图5 固溶+不同温度时效处理12 h后合金的性能Fig.5 Properties of alloys after solution and different aging treatments for 12 h

(a)Microhardness;(b)Mechanical properties

综合比较720℃固溶时效处理后合金的组织和拉伸性能,在720℃/30 min,AC+440℃/12 h,AC条件下α相的形核及核心长大速度达到最佳匹配,此时弥散强化效应最强,合金析出尺寸细小、含量较多且均匀弥散分布的α相,使合金达到优异的综合性能:抗拉强度UTS=1412.8 MPa,屈服强度YS=1309.4 MPa,延伸率A=8.56%,断向收缩率Z=44.94%。

3结论

1.该新型合金在720℃固溶处理,可以获得单一且均匀的等轴β晶粒,为最佳固溶温度。

2.经440~520℃时效处理,较低温度时效α相呈针状析出,相互纵横交错分布,相之间互成60°夹角,以“轮胎花纹”的形式在β晶内长大,其精细结构为片层状。随着时效温度的升高,时效析出的α相宽度和片层间距逐渐增大,针状α相向短棒状转化。

3.在实验温度范围内,时效温度增加,合金强度降低,塑性增加。720℃固溶在较低时效温度可获得较好的强度与韧性匹配。720℃/30 min,AC+440℃/12 h,AC为该合金较为理想的固溶+时效热处理工艺参数,可得到良好的综合性能:UTS=1412.8 MPa,YS=1309.4 MPa,A=8.56%,Z=44.94%。