文章编号：1004-0609(2013)S1-s0116-04

Ti-2.3Cr-1.3Fe合金固溶后的组织及力学性能

王振国¹，叶文君²，蔡海娇¹

(1. 有研亿金新材料股份有限公司，北京 102200；

2. 北京有色金属研究总院，有色金属材料制备加工国家重点实验室，北京 100088)

摘  要：本文采用光学显微镜(OM)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等对Ti-2.3Cr-1.3Fe低成本钛合金固溶后的组织和力学性能进行观察、分析和研究。固溶条件为：温度930 ℃，保温时间分别为0.5 h、1.0 h、1.5 h和2.0 h，水淬(WQ)。研究结果表明：固溶后该合金的组织由β相、马氏体和ω相组成，合金强度随固溶时间延长而缓慢降低，抗拉强度最高为1 165 MPa，此时合金的延伸率最低仅为2.5%，主要是该合金固溶后的组织中含有ω相所致。

关键词：钛合金；Ti-2.3Cr-1.3Fe；显微组织；力学性能

中图分类号：TG 146.2　　     文献标志码：A

Microstructure and mechanical properties of Ti-2.3Cr-1.3Fe alloy after solution treatment

WANG Zhen-guo¹, YE Wen-jun², CAI Hai-jiao¹

(1. Grikin Advanced Materials Co., Ltd., Beijing 102200, China;

2. State Key Laboratory of Nonferrous Metals and Processes, General Research Institute for Nonferrous Metals, Beijing 100088, China)

Abstract: After solution treatment, microstructure and tensile properties of Ti-2.3Cr-1.3Fe low cost alloy were studied through the methods of XRD, OM, SEM and TEM. The results indicate that the microstructure of alloy includes β phase, martensite and ω phase after solution treatment; the strength decreases with increasing solution time. Under the β phase heat treatment condition of 930 ℃ for 0.5 h, 1.0 h, 1.5 h and 2.0 h, WQ, the tensile strength is 1 165 MPa with 2.5% in elongation. As a result of the ω phase exists; the plasticity of alloy is low after solution treatment.

Key words: titanium alloys; Ti-2.3Cr-1.3Fe; microstructure; mechanical property

钛及钛合金因比强度高、密度小、耐高温及对环境无污染等优异的综合性能，在航空航天及化学化工领域应用广泛，但与钢铁、铝合金等相比，其成本要高许多：首先，矿成本，钛是钢的15倍，铝的3倍；其次，板材成本，钛是钢的50~83倍，铝的10~15倍^[1-2]。较高的成本限制钛合金在对成本比较敏感的领域更广泛的应用，因此，低成本钛合金的研制已越来越得到人们的重视。降低钛合金成本的方法有在合金设计过程中使用廉价元素或中间合金降低原材料成 本^[3-4]，如美国Timetal LCB(Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al)合金用Fe-Mo代替V^[5]和日本Ti-0.05Pd-0.3Co合金由Co来替代Ti-0.2Pd合金中的部分Pd^[6]；改善材料加工特性的设计及在材料加工过程中提高材料利用率均可降低合金成本。

Fe作为β稳定元素，可提高钛合金淬透性，主要用于高强、高韧和高淬透性β合金^[7]。Cr在α钛中溶解度不超过0.5％，但在β钛中无限固溶，起固溶强化作用，还可提高合金塑性、韧性和淬透性^[8]；Cr还可使钛合金具有良好的强度-塑性匹配，保证热处理强化效应的同时还能细化合金铸态组织^[9-10]。因此，本文作者对Ti-2.3Cr-1.3Fe低成本合金固溶处理及直接时效后的组织和力学性能进行研究，以期为以后深入研究奠定一定基础，具有一定的学术价值和实践指导意义。

1  实验

实验材料为采用Cr-Fe合金自行研制的二次真空自耗熔炼而成的Ti-2.3Cr-1.3Fe低成本钛合金，合金铸锭15 kg，化学成分如表1所列。铸锭在1 050 ℃下开坯锻造，在800 ℃下加热后，轧制成直径为12 mm的棒材，棒材组织及XRD谱如图1所示。从XRD谱中知棒材组织由α相和β相组成，体积分数分别为81.7%和18.3%。用淬火金相法测得该合金相变点为(905±5) ℃。

在棒材上用线切割切取10 mm高的金相试样和70 mm长拉伸试样。固溶温度930 ℃，保温时间为0.5、1.0、1.5和2.0 h，水淬(WQ)。热处理后的金相试样在水砂纸上由粗到细逐级打磨，打磨完毕后进行电解抛光，抛光液为95%乙酸+5%高氯酸，电压60~70 V，时间10~20 s，将制备好的金相试样采用体积比为V(HF):V(HNO₃):V(H₂O)=1:3:10的腐蚀液腐蚀，时间45~60 s，腐蚀后的金相试样放置干燥器中24 h，然后在Axiovert 200 MAT型Zeiss光学显微镜上进行组织观察。70 mm长试样热处理后制成标准拉伸试样，同一状态下采用3个平行试样，拉伸实验在ZNSTRON200 LZC型拉伸试验机上进行，拉伸速度为2 mm/min。TEM试样先用线切割切成0.3 mm厚薄片，然后在砂纸上逐级打磨至50 μm左右，用冲片器将试样冲成d3 mm的试样，然后进行电解双喷或离子减薄至出现可观察区域，双喷液为6%高氯酸+34%正丁醇+60%甲醇，TEM观察在JEM 2100 LaB₆透射电镜上进行。

表1  Ti-2.3Cr-1.3Fe合金的化学成分

Table 1  Chemical composition of Ti-2.3Cr-1.3Fe alloy (mass fraction, %)

图1  Ti-2.3Cr-1.3Fe合金棒材的显微组织及XRD谱

Fig. 1  Microstructure (a) and XRD pattern (b) of Ti-2.3Cr-1.3Fe alloy bar

2  结果及讨论

钛合金在β相区固溶后，冷却速度对组织影响比较明显，随冷却速度降低合金内组织由细小针状马氏体过渡为网篮和魏氏组织并存的混合结构，最后全部变为α片层整齐排列的魏氏组织^[11]。固溶后合金以很快速度从β相区冷却至室温过程中，原子来不及扩散只能通过切变方式析出细小针状且分布不均的马氏 体^[11-13]。图2所示为合金经930 ℃固溶后不同保温时间下的金相组织，从中可知合金组织内含有β相和马氏体；图3所示为保温0.5 h的XRD能谱图及马氏体TEM形貌，从中进一步验证合金固溶后的相组成含有马氏体。选取保温时间0.5 h的试样进行TEM观察，发现合金内还存在有ω相(图4)。钛合金固溶处理后淬火形成的ω相是β相向α相转变形核长大时形成的，具有六方结构，与β相具有如下的共格关系：[0001]_ω//[111]_β，_ω//_β^[14]。

图2  Ti-2.3Cr-1.3Fe合金固溶热处理后的金相组织

Fig. 2  Optical microstructures of Ti-2.3Cr-1.3Fe alloy after solution treatment

图3  Ti-2.3Cr-1.3Fe合金固溶处理后保温0.5 h的TEM像和XRD谱

Fig. 3  TEM morphology (a) and XRD pattern (b) of Ti-2.3Cr-1.3Fe alloy after solution treatment and holdings for 0.5 h

表2所示为Ti-2.3Cr-1.3Fe合金在不同固溶时间下的力学性能，从中可知保温0.5 h后合金强度最高，抗拉强度为1 165 MPa，此时延伸率仅为2.5%；保温2 h时抗拉强度与0.5 h的相比降低5.2%，这与其组织内β相平均晶粒粒径长大有关，0.5 h时约300 μm，2.0 h约400 μm，长大约33.3%，晶粒长大导致细晶强化作用减弱，从而导致合金强度有所降低；从表2中还可知，固溶后Ti-2.3Cr-1.3Fe合金的延伸率均比较低，延伸率最大为4.5%，主要与其合金组织内的ω相有关，ω相硬而脆，位错不能在其中移动，可使合金硬度、强度和弹性模量等得到很大提高，并严重降低合金塑性^[15]。

图4  ω相暗场相形貌及衍射斑

Fig. 4  TEM micrograph (a) and selected area electron diffraction spots (b) of ω phase

表2  Ti-2.3Cr-1.3Fe合金固溶后的力学性能

Table 2  Mechanical properties of Ti-2.3Cr-1.3Fe alloy after solution treatment

3  结论

低成本钛合金Ti-2.3Cr-1.3Fe固溶后的组织由β相、马氏体和ω相组成。该合金强度随保温时间增加呈缓慢降低趋势；经930 ℃、0.5 h、WQ热处理后，合金的抗拉强度最高为1 165 MPa，而此时的伸长率仅为2.5%。由于固溶后合金组织中含有ω相，致使合金固溶后的塑性均较低。

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(编辑  邓履翔)

基金项目：国家国际科技合作专项(2013DFG52920)

收稿日期：2013-07-28；修订日期：2013-10-10

通信作者：王振国，工程师，博士；电话：010-80103388-8225；E-mail：wzghappy@yeah.net