简介概要

新型β钛合金时效析出相的演变及硬化

来源期刊：稀有金属2016年第7期

论文作者：何丹王庆娟高颀王鼎春杨奇尹仁锟

文章页码：633 - 639

关键词：β钛合金;时效析出相;组织演变;硬化;

摘要：α相的析出形态和析出动力学对β钛合金的研究至关重要。本文利用光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、硬度测量及拉伸性能测试等分析手段,研究了一种自主设计的新型Ti-Al-V-Mo-Cr-Zr-Fe-Nb亚稳β钛合金时效过程中析出相的演变及硬化。研究表明:该合金经720℃固溶处理30 min,再经460℃时效3 h后产生点状α相连点成线现象,形成雪片状组织;12 h后,细小而致密的次生α相弥散分布于β基体中;至16 h后,长条状α相纵横交叉成大约60°夹角或以相互垂直的方式分布于β晶内。随着时效时间的延长,α析出相的尺寸和体积分数逐渐增加,α相体积分数增加引起的硬化和尺寸增加引起的软化相竞争,使得合金硬度和抗拉强度先增后降。该合金时效处理12 h后可获得优良的强度与塑性匹配:抗拉强度R_m=1393.6 MPa,延伸率A=12.56%,随后则出现过时效现象。

网络首发时间: 2015-06-01 09:27

稀有金属 2016,40(07),633-639 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2016.07.001

新型β钛合金时效析出相的演变及硬化

何丹王庆娟高颀王鼎春杨奇尹仁锟

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：

α相的析出形态和析出动力学对β钛合金的研究至关重要。本文利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、硬度测量及拉伸性能测试等分析手段,研究了一种自主设计的新型Ti-Al-V-Mo-Cr-Zr-Fe-Nb亚稳β钛合金时效过程中析出相的演变及硬化。研究表明:该合金经720℃固溶处理30 min,再经460℃时效3 h后产生点状α相连点成线现象,形成雪片状组织;12 h后,细小而致密的次生α相弥散分布于β基体中;至16 h后,长条状α相纵横交叉成大约60°夹角或以相互垂直的方式分布于β晶内。随着时效时间的延长,α析出相的尺寸和体积分数逐渐增加,α相体积分数增加引起的硬化和尺寸增加引起的软化相竞争,使得合金硬度和抗拉强度先增后降。该合金时效处理12 h后可获得优良的强度与塑性匹配:抗拉强度R_m=1393.6 MPa,延伸率A=12.56%,随后则出现过时效现象。

关键词：

β钛合金;时效析出相;组织演变;硬化;

中图分类号： TG146.23;TG166.5

作者简介：何丹(1990-),女,陕西人,硕士,研究方向:β钛合金;E-mail:he215dan@163.com;;王庆娟,教授;电话:13992855295;E-mail:jiandawqj@163.com;

收稿日期：2015-01-08

基金：国家自然科学基金项目(51104113);陕西省工业科技攻关项目(2016GY-207);陕西省教育厅服务地方专项计划项目(14JF013)资助;

Evolution and Hardening of Age-Precipitated Phases of New β Titanium Alloy

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

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

Institute of Baoti Group Co.,Ltd.

Abstract：

The morphology and kinetics of the precipitation of the α-phase are essential to the research of β titanium alloy. The evolution and hardening of age-precipitated phases of a self-designed Ti-Al-V-Mo-Cr-Zr-Fe-Nb metastable β titanium alloy were investigated through optical microscope( OM),scanning electron microscope( SEM),transmission electron microscope( TEM),hardness testing,and tensile property test. Results showed that after solution treated at 720 ℃ for 30 min and aged at 460 ℃ for 3 h,dot α-phases pointed into a line and formed the snow-shape morphology. After aging treatment for 12 h,small and dense secondary α phases dispersed in the β matrix. After 16 h,elongated α-phases crossed at an angle of approximately 60° or distributed perpendicular to each other in the β intragranular. The volume fraction and dimension of α phase increased gradually with the increase of aging time. The increase of α volume fraction caused the hardening,and the increase of α dimension caused softening. A competition between the two made the hardness and tensile strength of the alloy increase firstly and then decrease with the increase of aging time. The optimal combinations of the strength and the ductility of the alloy could be obtained after aging treated for 12 h: tensile strength of 1393. 6 MPa,extensibility of12. 56%,and then an over aging phenomenon appeared.

Keyword：

β titanium alloy; age-precipitated phase; microstructure evolution; hardening;

Received： 2015-01-08

亚稳β钛合金具有冷加工和冷热成型性好、时效强度高、可焊性好、弹性模量低、耐腐蚀和深淬透性等优异的综合性能,且比强度在钛合金中最高,已广泛应用于航空航天工业、生物工程、民用工业、海洋工业和能源工业等方面 ^{[1,2,3,4,5,6]} 。合金的组织结构较为强烈地依赖于其热处理参数,不同的温度、时间、加热及冷却速率都会引起合金中相种类、形貌、数量、尺寸及分布等的不同,从而引起很大的性能差异。对β钛合金而言,α析出相的尺寸、形态和体积分数决定了合金的强化程度。研究表明,均匀形核和细小α析出物的长大会引起材料性能的显著提高 ^[7] 。尤其是在亚稳β钛合金中,其α析出相的长大受Mo,V,Fe,Mn和Cr等β稳定元素的限制,时效热处理过程中产生大量细小的α析出物,这些析出物的存在将会对合金的性能产生显著影响。

合适的时效热处理工艺是钛合金能够成功应用的关键之一。目前,国内外一些学者已对不同β钛合金时效析出相的演变及硬化进行了相关研究。常辉 ^[8] 研究了Ti-B19合金在等温时效过程中的组织演变规律和α相的形核与长大机制,结果表明400和450℃时效时,α相优先在β晶内不均匀形核并长大;500和550℃时,α相在β晶内和晶界处同时形核并长大,晶内α为细小的针状,晶界α则呈彼此平行的针状;600~700℃时效时,α相在β晶界处优先形核,呈针状平行分布。李成林等 ^[9] 研究了时效对一种新型Ti-6Cr-5Mo-5V-4A1合金组织与性能的影响,结果表明合金经β固溶+时效处理时,500℃以下长时间时效及500℃以上短时间时效均有利于合金强化。Manshadi和Dippenaar ^[10] 研究了Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr在低温时效过程中α相的形态变化,结果表明α相形态随时效时间的变化存在显著差异,呈现三角形或魏氏星状组织;400℃时效处理时,10 min就已析出α相,至8 h时α相体积分数增大到80%以上。

α相的析出形态和析出动力学对β钛合金的研究至关重要。本文研究了一种自主设计的新型Ti-Al-V-Mo-Cr-Zr-Fe-Nb亚稳β钛合金 ^[11] 时效过程中析出相的演变及硬化,以期优化该合金的最佳时效时间,为确定合理的时效制度提供依据。

1 实验

实验材料为真空自耗电弧炉熔炼制成的钛合金铸锭,分别经开坯、锻造和轧制,得到实验用的直径Ф13 mm圆棒。该合金为自主设计的新型高强β钛合金,化学成分如表1所示。采用金相法测得其β转变点为(705±5)℃,合金钼当量[Mo]_eq=21,β稳定系数K_β=1.96,属于亚稳β钛合金。

用线切割的方式从热轧棒材上切取金相、硬度及拉伸试样,在箱式电阻炉中进行固溶+时效热处理,具体热处理工艺制度见表2。然后进行显微组织观察及硬度和拉伸性能测试。

表1 合金化学成分Table 1 Chemical components of alloy(%,mass fraction) 下载原图

表1 合金化学成分Table 1 Chemical components of alloy(%,mass fraction)

光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)分析分别在OLYMPUS PMG3倒置式金相显微镜、JSM-6700扫描电镜和JEM-200CX透射电镜上进行。热轧态和固溶态试样的腐蚀剂为10%HF∶30%HNO₃∶60%H₂O(体积比),时效态试样的腐蚀剂为3%HF∶30%HNO₃∶67%乳酸(体积比)。透射试样制备方法为机械减薄+电解双喷。硬度测试采用401MVD型数显显微维氏硬度计,测定试样在不同热处理状态下的维氏硬度值。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。

表2 热处理工艺制度Table 2 Heat treatment system 下载原图

AC:air cooling

表2 热处理工艺制度Table 2 Heat treatment system

2 结果与讨论

2.1 热轧态及固溶处理后的金相显微组织

对于大多数β钛合金而言,在时效前先对其进行固溶处理,可使合金成分、组织更加均匀,同时时效响应得以强化,性能得到提高 ^[12] 。

图1所示为该合金热轧棒材及固溶处理后的金相显微组织。从图1(a)可以看出,800℃热轧后,由于热轧温度选在相变点以上,棒材规格小、冷却速度很快,热轧后组织为细小的单相β;晶粒已被充分破碎,晶界曲折且不连续。从图1(b)可以看出,720℃固溶处理后,由于发生了相变再结晶,晶界相对平直,合金组织为均匀单一的等轴β相,其平均晶粒尺寸为20μm。

2.2 固溶+时效处理后的金相显微组织

图2所示为该合金经720℃/30 min/AC固溶+460℃时效不同时间后的金相显微组织。仔细比较后从图2可以看出,随着时效时间的延长,α析出相的体积分数、形态及尺寸均有所变化,其析出量越来越多,α相弥散分布于β相间并逐渐长大。其中,1 h短时时效后,α相体积分数很小,只有少量点状α析出;时效时间增至3 h后,组织中已有大量α相存在,晶内点状α相逐渐连接成线,从整体来看,晶内的析出相并不均匀,有的已遍布整个晶粒,有的却只是少量析出;时效8 h以后,无析出区减少,α析出相已完全覆盖原始β晶粒;继续延长时效时间,α相的体积分数和尺寸进一步增加。为深入研究α相在β基体中的析出特征,仍需进行SEM和TEM分析。

图1 合金热轧棒材及固溶处理后的金相显微组织Fig.1 OM images of structure of alloy after rolling and solution treatment

(a)Rolled at 800℃;(b)Solution treated at 720℃

图2 合金时效不同时间后的金相显微组织Fig.2 OM images of structure of alloy after aging treated for different time

(a)1 h;(b)3 h;(c)8 h;(d)10 h;(e)12 h;(f)16 h

2.3 固溶+时效处理后合金的SEM分析

图3所示为该合金经720℃/30 min/AC固溶+460℃时效3 h后的SEM形貌。从图3(b)可以看出,β晶界上析出许多细小的针状α相,且与β基体有着固定的位向关系。从图3(c)可以看出,时效组织中存在大量晶内析出α相,因α相在晶体学上存在12个位向,所以有多种变体。α相在β晶粒内不均匀形核,点状α相“连点成线”,形成“雪片状”组织。

图3 合金经720℃固溶+460℃时效3 h后的SEM形貌Fig.3 SEM images of alloy aged at 460℃for 3 h after solution treated at 720℃((b,c)being magnification maps of A area and Barea in(a))

点状α相“连点成线”的现象与β钛合金的变形带很相似,在β晶粒内,变形带通常沿变形方向相互平行,紧密分布。因此,可推断这种现象和变形带及亚晶等有关。这是因为变形带或亚晶上缺陷多,点状α相具有足够高的能量优先在这些部位上形核,甚至比针状α相析出的更早 ^[10,13,14] 。

2.4 固溶+时效处理后合金的TEM分析

图4所示为该合金经720℃/30 min/AC固溶+460℃时效12及16 h后的TEM形貌。对比不同时效时间后的TEM组织后不难发现,α析出相的形态、尺寸随着时效时间的延长产生了明显变化。时效处理12 h后,细小而致密的次生α相弥散分布于β基体中,基体内α形核位置多,具有很高的强化效应(图4(a))。时间增至16 h后,时效析出的二次α尺寸显著增加,α相粒子间距也增大,合金组织明显粗化;长条状α相沿晶界析出后,纵横交叉成大约60度夹角或以相互垂直的方式分布于β晶内(图4(b))。

2.5 固溶+时效处理后合金的显微硬度及拉伸性能

沉淀强化是亚稳β钛合金主要的强化方式,然而当合金中β稳定元素的含量较高时,由于其相变驱动力不大,合金在较低的温度时效处理时,达到强化峰值所需要的时间较长 ^[5] 。

图5所示为该合金经720℃/30 min/AC固溶+460℃时效不同时间后的显微硬度及拉伸性能变化情况。由图5(a)可以看出,随时效时间的延长,3 h前合金硬度值急剧增大,随后增幅变缓,至12 h时达到最大值(HV 383)。随着时间的继续增加,出现明显的下降趋势,至16 h时硬度值为HV 368。由图5(b)中曲线可以看出,该合金时效不同时间后抗拉强度的变化趋势与硬度相似,随着时效时间的延长,合金抗拉强度逐渐增大,在12 h时也达到了峰值(1393.6 MPa),继续延长时间,强度降低;延伸率的变化则呈现相反趋势。结合合金组织可以发现,时效处理12 h后合金达到硬度和抗拉强度峰值,是因为此时β晶内析出的次生α相细小而致密,具有很高的强化效应。随后产生过时效而次生α相长大,导致抗拉强度降低。

图4 合金经720℃固溶+460℃时效不同时间后的TEM形貌Fig.4 TEM images of alloy aged at 460℃for different time after solution treated at 720℃

(a)12 h;(b)16 h

图5 合金经720℃固溶+460℃时效不同时间后的显微硬度及拉伸性能Fig.5 Microhardness and tensile property of alloy aged at 460℃for different time after solution treated at 720℃

(a)Microhardness;(b)Tensile property

时效时间对合金显微硬度和强度的影响与时效硬化类似,可以分为两个阶段(如图6)。在第一阶段,细小的α相在等温条件下开始析出,随着时效时间的延长,析出α相的体积分数逐渐增加,硬度值和强度越来越高。钛合金等温过程的相变动力学可以用Johnson-Mehl-Avrami方程(简称JMA方程)很好地描述 ^[15,16] 。对于等温过程而言,某一温度下转变份额和时间的相互关系可用JMA方程来描述,其方程为 ^[8,17] :

图6 典型的单峰时效硬化曲线Fig.6 A typical one-peak age hardening curve

其中,t为时间,是相对的,包含了相变孕育时间;f为新相在t时间的转变量;k为温度系数,与相变过程的形核和长大速率有关,对相变温度较为敏感;n为Avrami指数,用于描述形核长大机制,与相变过程的形核、长大机制相关,在很大温度范围内与温度无关。合金相转变速度主要由相变驱动力和溶质原子的扩散速度共同决定。在高温时效时,合金的相变驱动力较小,α相形核动力不足,使其形核受到影响,溶质的扩散速度较快,容易形成大尺寸α相。在低温时效时,合金的相变驱动力较大,但溶质的扩散速度较慢,影响了相转变速度。因此,合理的时效温度下,相变驱动力和溶质原子的扩散速度达到了最佳匹配,使相转变速度达到最高值,有利于缩短时效时间,此时α相的析出速率快,合金性能迅速提高^[18]。在第二阶段,随着时效时间的继续延长,产生过时效现象,合金中的α相开始长大甚至团聚,合金硬度和强度降低^[9]。

随着时效时间的延长,β基体内α相析出量不断增加,无析出区逐渐消失,α相体积分数的增加会引起合金显微硬度的提高,其强化作用也越来越明显 ^[12] ;当时效时间超过12 h后,α相晶粒尺寸开始快速长大,出现过时效现象,将使合金硬度和强度下降。该合金的硬度和强度变化数据与其组织形貌相一致,α析出相体积分数增加引起的硬化和尺寸增加引起的软化相竞争,使得合金硬度和强度先增后降。本文研究范围内,该合金时效处理12 h后可获得优良的强度与塑性匹配:抗拉强度R_m=1393.6 MPa,延伸率A=12.56%。

3 结论

1.该合金在720℃/30 min/AC固溶+460℃时效时,随着时效时间的延长,α析出相的尺寸和体积分数逐渐增加。

2.合金经460℃时效处理3 h后,产生了与β钛合金的变形带很相似的点状α相“连点成线”现象,形成“雪片状”组织;12 h后,细小而致密的次生α相弥散分布于β基体中;至16 h后,长条状α相纵横交叉成大约60°夹角或以相互垂直的方式分布于β晶内。

3.经720℃固溶+460℃时效不同时间时,随着时间的延长,α析出相体积分数增加引起的硬化和尺寸增加引起的软化相竞争,使得合金硬度和抗拉强度先增后降,在12 h均达到最大值,随后则出现过时效现象。该合金时效处理12 h后可获得优良的强度与塑性匹配:抗拉强度R_m=1393.6MPa,延伸率A=12.56%。