简介概要

热暴露对Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C合金微观组织的影响

来源期刊：稀有金属2003年第1期

论文作者：曹春晓雷力明孙福生黄旭

关键词：阻燃钛合金; 热暴露; 微观组织;

摘要：研究了热暴露对Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C阻燃β钛合金微观组织的影响. 结果表明, 在540 ℃(该合金期望使用温度)热暴露100 h后, 合金晶界上形成了连续的α膜, β基体和少量α相发生了短程有序化(SRO)转变. 除此之外, 热暴露过程中还有少量的金属间化合物TiCr2相析出.

稀有金属 2003,(01),207-209 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2003.01.056

热暴露对Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C合金微观组织的影响

黄旭孙福生曹春晓 RuggD VoiceW

北京航空材料研究院,北京航空材料研究院,北京航空材料研究院,北京航空材料研究院,Rolls Royce Plc,Rolls Royce Plc 北京100095 ,北京100095 ,北京100095 ,北京100095 ,P.O.Box31,Derby DE248 BJ,U.K. ,P.O.Box31,Derby DE248 BJ,U.K.

摘要：

研究了热暴露对Ti 2 5V 15Cr 2Al 0 2C阻燃β钛合金微观组织的影响。结果表明 , 在 5 40℃ (该合金期望使用温度 ) 热暴露 10 0h后 , 合金晶界上形成了连续的α膜 , β基体和少量α相发生了短程有序化 (SRO) 转变。除此之外 , 热暴露过程中还有少量的金属间化合物TiCr2 相析出。

关键词：

阻燃钛合金;热暴露;微观组织;

中图分类号： TG146.23

收稿日期：2002-10-20

基金：英国Rolls Royce公司资助项目;

Effect of Thermal Exposure on Microstructure of Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C Alloy

Abstract：

The effect of thermal exposure on microstructure of non burning β titanium alloy Ti 25V 15Cr 2Al 0 2C was investigated The results show that after exposure at 540 ℃ (expectant application temperature of the alloy) for 100 h, a continuous α film is formed at β grain boundaries and a low degree of short range ordering (SRO) of the β matrix and α precipitation occurs In addition, a small amount of intermetallic compound TiCr 2 was also produced by a slow eutectoid reaction during long term exposure

Keyword：

non burning titanium alloy; thermal exposure; microstructure;

Received： 2002-10-20

钛及钛合金因具有良好的综合性能而在先进航空发动机中得到大量应用, 如美国第四代战斗机F22的F119发动机上的钛用量高达39% ^[1,2] 。发展高性能的航空发动机不仅要求钛合金具有优良的力学性能, 还要求其具有很好的阻燃性能, 以取代密度较大的Ni基高温合金在某些部件上的应用。美国在20世纪90年代初研制成功的高稳定β型阻燃钛合金-Alloy C (名义成分为Ti-35V-15Cr) 已被应用到F119发动机上 ^[1,2] 。近几年, 英国开展了对Ti-V-Cr-Al系低成本阻燃β钛合金的研究 ^[3,4,5,6,7] , 其中, Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C为这类合金的优化成分 ^[7] 。本文研究了这种合金在期望使用温度 (540 ℃) 下长时间热暴露时的微观组织。

1 实验

实验用Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C合金由中间合金和纯元素材料经3次真空自耗电弧熔炼 (VAR) 制成15 kg铸锭, 开坯锻造后轧制为φ18.5 mm的棒材。轧制棒材的热处理依照英国Rolls-Royce公司提供的一种热处理工艺进行, 即先经过1050℃/0.5 h/AC (空冷) 固溶处理, 然后在700 ℃时效4 h。为研究该合金的热稳定性, 将经过上述热处理的合金试样在540 ℃ (该合金期待使用温度) 热暴露100 h。在光学显微镜上进行微观组织观察, 用RIGAKU D/MAX-2400型X射线衍射仪, JEOL 200CX或HITACHI H-800型透射电镜进行相分析。

2 结果与讨论

2.1 热处理组织

图1 (a) 显示了固溶并时效处理后的合金微观组织。可以看到, 合金β基体上分布着一些尺寸较大的球形或短棒状颗粒 (直径约为2~10 μm) , 此外, 在β晶界和晶内还存在少量的细小麻点状沉淀相 (图中的黑色斑点, 尺寸小于1 μm) 。 XRD (见图1 (b) ) 以及TEM衍射分析表明, 较大尺寸的颗粒为碳化物, 而细小的麻点状沉淀物为α相。

图2示出了碳化物和α相的形貌及衍射花样。碳化物的电子衍射花样上存在超衍射斑点, 表明其为有序结构 (图2 (a) ) 。按照Ti-C二元相图 ^[8] , 这些碳化物是通过共晶反应L?β+TiC产生的, 即在铸造过程中就形成了。能谱分析表明这些碳化物中含有少量V元素 ^[9] , 故将其化学式表示为 (Ti, V) C。

2.2 热暴露组织

图3 (a) 为合金试样在540 ℃热暴露100 h后的微观组织。与图1 (a) 相比, α相在晶内和晶界的析出数量明显增加, 特别是在晶界上形成了连续粗化的网状α膜。

对热暴露组织的TEM分析发现, 原来无序的β基体发生了微弱的短程有序化 (SRO) 转变, 其衍射花样见图3 (b) 所示。除此之外, 有少量α相在热暴露过程中也转变成了有序的α₂相 (图3 (c) ) 。实验合金中含有的少量Al元素是促使β基体和α相

图1 经1050 ℃/0.5 h/AC+700 ℃/4 h/AC热处理后的Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C合金的微观组织 (a) 及相应的X射线衍射谱 (b) Fig.1 Microstructure of Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C alloy heat treated at 1050 ℃/0.5 h/AC+700 ℃/4 h/AC (a) and the corresponding X-ray diffraction spectrum (b)

图2 碳化物 (a) 和α相 (b) 的形貌及相应的衍射花样 Fig.2 Morphologies of carbide (a) and α precipitation (b) of Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C alloy and the corresponding SAD patterns

图3 540 ℃热暴露100 h后的Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C合金的微观组织及相分析 (a) 微观组织; (b) (基体[110]晶带衍射; (c) α2相形貌及其晶带衍射; (d) TiCr2相形貌及其[011]晶带衍射 Fig.3 Microstructure and phase analyses of Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C alloy exposed at 540 ℃ for 100 h, following heat treatment 1050 ℃/0.5 h/AC+700 ℃/4 h/AC

发生有序化转变的直接因素 ^[3] , 这种相变过程是由缓慢的原子扩散控制的, 因而只有在高温长时间热暴露时才会发生。

实验合金中含有15%的Cr, 它是一种共析型 (稳定元素, 通过共析反应β?α+TiCr₂析出金属间化合物TiCr₂相, 但这个反应进行得非常缓慢, 较快冷却速度就可阻止其发生。在合金短时间时效组织中并未观察到这种脆性相, 然而在热暴露组织中发现其在晶界上有少量析出 (图3 (d) ) 。