文章编号: 1004-0609(2005)01-0044-05
Ti-B20钛合金的时效特征
葛 鹏1, 2, 赵永庆2, 周 廉2
(1. 西安交通大学 材料科学与工程学院, 西安 710049; 2. 西北有色金属研究院, 西安 710016)
摘 要: 研究了Ti-B20合金(以“临界钼当量条件下的多元强化”为原则设计的一种新型的高强度亚稳β钛合金)在不同热处理条件下的时效组织和拉伸性能。 结果表明: 同常见的亚稳β钛合金相比, Ti-B20合金具有更快的时效响应及更高的时效强化效应, 其析出相更加细小均匀; 合金在α-β区固溶后在500~600℃时效时可以获得优良的强度和塑性匹配 (抗拉强度: 1200~1500MPa; 延伸率: 8%~18%), 高温时效时没有发现无析出区; 合金在β区固溶后的时效强度要大大高于α-β区固溶后的时效强度, 但却会导致拉伸塑性的急剧降低。 所有的这些时效特征都来源于合金成分的独特性。
关键词: Ti-B20; 临界钼当量; 亚稳β钛合金; 时效 中图分类号: TG146.2
文献标识码: A
Aging characteristics of Ti-B20 alloy
GE Peng1, 2, ZHAO Yong-qing2, ZHOU Lian2
(1. School of Materials Science and Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xian 710049, China;
2. Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi'an 710016, China)
Abstract: The aging microstructures and properties of Ti-B20 alloy, a new high strength metastable beta titanium alloy which was designed according to the principle of ‘critical molybdenum equivalence and multi-components strengthening’, were investigated under different heat treatment conditions. The results show that compared to traditional metastable β titanium alloys, Ti-B20 alloy has more rapid aging response, much higher aging strengthening effect and much finer but homogeneous depositions. After α-β solution and 500-600℃ aging treatment, excellent strength and plasticity properties can be achieved(ultimate tensile strength: 1200-1500MPa; elongation: 8%-18%) and no precipitate-free regions have been found during high temperature aging treatment. Beside, the aging strength of alloy after solution treatment in β region is considerably higher than that in α-β region. But β solution and aging treatment will lead to remarkable decrease of tensile ductility. All these aging characteristics of Ti-B20 alloy are responsible for its specific components.
Key words: Ti-B20; critical molybdenum equivalence; metastable β titanium alloy; aging
亚稳β钛合金具有冷热成形性好、 比强度高、 耐腐蚀、 深淬透性等优良的综合性能, 在航空工业、 海洋工程、 能源工程等方面获得了重要应用[1-4]。 为了使高温β相能够稳定地保留到室温, 亚稳β钛合金要加入较多的Mo、 V、 Cr、 Fe等β稳定元素, 从而造成合金成本升高、 熔炼困难、 偏析加剧、 时效响应慢等一系列缺点。 为了有效降低大量β元素加入后造成的负面影响, 西北有色金属研究院以“临界钼当量条件下的多元强化”为原则, 设计了一种新型的Ti-Mo-V-Cr-Fe-Sn-Zr-Al系高强度亚稳β钛合金—Ti-B20[5], 获得了良好的效果。 根据文献[4]中对β钛合金钼当量的计算公式, 该合金的钼当量为10.3, 接近于亚稳β钛合金钼当量的下临界值。 在研究Ti-B20合金的过程中发现, 由于其成分的独特性, 该合金具有不同于一般亚稳β钛合金的时效特征。
1 实验
实验材料为真空自耗电弧二次熔炼的25kg Ti-B20合金铸锭, 经开坯、 锻造、 轧制得到直径为12~20mm的棒材。 用线切割的方式从合金棒材上切取拉伸、 金相及硬度试样, 并分别在α-β区和β区固溶处理后在不同温度下进行时效, TEM试样坯料在热处理后切取。 固溶态试样的腐蚀剂为10%氢氟酸+30%硝酸+60%水, 固溶时效态试样的腐蚀剂为3%氢氟酸+30%硝酸+67%乳酸。 用机械减薄加电解双喷法制备TEM试样。
拉伸实验在INSTRON1185万能拉伸机上进行, 硬度测试采用AVK维氏硬度仪(负载98N)。 OM、 SEM和TEM分析分别在OLYMPUS PMG3、 JSM-6700 、 JSM-6460及JEM-200CX仪上进行。
2 结果与讨论
2.1 Ti-B20合金固溶态的显微组织
为了获得所需的性能, 绝大多数β合金在时效处理前都要先进行固溶处理, 以便使成分、 组织均匀化, 并强化时效响应。 根据不同的目的, 固溶处理可以在合金的β相变点下进行, 也可以在合金的β相变点上进行。 金相观测法测定该合金的β转变点在810℃左右。
图1所示为Ti-B20合金在780℃和860℃固溶30min, 然后在水中淬火后的显微组织。 从图1(a)中可以看出, 合金试样经780℃固溶处理后, 晶粒细小而不规则, 在原始晶界及晶内有长粒状的析出相, TEM衍射分析表明这些粒子为α相。 合金试样经860℃固溶淬火后的光学显微组织(图1(b))呈现出较为均匀的等轴晶粒, 晶粒尺寸大约在50~200μm之间, TEM衍射分析显示粒子为单一的β相。
2.2 Ti-B20合金α-β区固溶后的时效响应
图2所示为Ti-B20合金经780℃固溶处理后, 在不同温度时效的硬度曲线。 由图可以看出, 当时效温度控制在500~600℃时, Ti-B20合金达到时效峰值的时间很短, 500℃时低于4h, 550~570℃时低于2h, 而600℃时不到1h, 其时效响应速率显著高于BETA-C、 Ti-15-3等商用亚稳β钛合金[6-8]。 随着时效时间的延长, 较低的时效温度下硬度值在经过峰值后一定区间内变化幅度较小; 570℃时硬度有明显的下降趋势; 600℃时效时, 在前几个小时内, 硬度值快速跌落, 然后趋于平缓。 显而易见, 时效温度越高, 合金时效后所能达到的硬度越低。
图1 Ti-B20合金固溶后的显微组织
Fig.1 Microstructures of Ti-B20 alloy after solution treatment
图2 Ti-B20合金经780℃固溶后的时效响应
Fig.2 Aging response of Ti-B20 alloy after solution treatment at 780℃
表1所列为Ti-B20合金经780℃固溶, 在不同温度时效8h后的抗拉强度。 由表中数据可以看出, 该合金的时效强化效应很高, 而且时效温度越低, 合金的强度越高, 这与图2中硬度值的变化是相符的。
表1 Ti-B20合金在不同温度时效后的强度
Table 1 Strength of Ti-B20 alloy aged at different temperatures
图3所示为Ti-B20合金棒材经780℃固溶, 在不同温度时效8h后的高倍SEM像。 为了获得更多的信息量, 图中试样取自棒材不同的方向。 从图中可以看出, 在棒材的横截面(T)上, 初生α相较为均匀地析出, 并将基体分成尺寸在微米级的细小区域; 在棒材的纵向(L)上, 片状初生α相的长轴趋向于平行轧制方向, 这些初生α相的存在有效地限制了晶粒的长大。 除了初生α相具有不同的形貌, 次生α相的体积密度及尺寸也明显不同。 时效温度为500℃时, 次生α相极其细密, 细小的片状α相厚度约为100nm, 这也是该温度下时效后具有高强度的原因。 随着时效温度的提高, 二次α相的尺寸显著增大, 其体积比则呈减少的趋势, 并且在600℃时有比较明显的粗化现象, 这与合金在600℃时效时硬度随时效时间的延长而降低的现象是相符的。
2.3 Ti-B20合金β区固溶后的时效响应
图4所示为Ti-B20合金经β区固溶处理后的时效硬度随时间的变化。 从图可看出, Ti-B20合金β区固溶后的时效响应同α-β区固溶时效时的情况类似, 硬度在较短的时间内就达到了峰值然后下降并渐趋平稳, 并同样遵循时效温度越高硬度越低的规律。 但在相同的时效温度下, 该合金β区固溶加时效后的硬度明显高于α-β区固溶时效后的硬度, 这显然与合金β区固溶后亚稳β相的稳定性较低有关。 实验表明, 进一步降低时效温度还能继续提高时效硬度, 但由于该合金β区固溶后的时效硬化效应极高, 在时效温度为570℃时, 就相当于α-β区固溶后500℃时效时的硬化效应, 而且β区固溶时由于晶粒快速长大, 晶界连续, 其塑性必然很低。 这里仅列出了更有工程意义的较高时效温度下的硬度变化曲线。
图5所示为Ti-B20合金经β区固溶、 600℃时效时微观组织的变化。 从图中可以看出, 时效时间为1h时, 析出的α相非常细小; 而时效时间达8h时, α粒子显著粗化, 晶界尤其明显。 这与图4中合金在时效时硬度的变化是相符的。 这是因为温度高时, 原子活动激烈, 细小的析出相造成了相界面大幅增加, 界面能也急剧升高。 正是这较大的界面能为析出相的团聚及粗化提供了足够的驱动力[9, 10]。 合金在570℃和640℃时效时也存在类似的现象, 不过由于随着温度的升高, 析出相粗化明显, 因此同600℃时效相比, 显微组织随时间延长的变化在570℃时效时较小, 但在640℃时效时则相对显著, 但总体趋势相同。
图3 Ti-B20棒材在不同温度时效8h后的显微组织
Fig.3 Microstructures of Ti-B20 bars after aging treatment at different temperatures
图4 Ti-B20合金经860℃固溶后的时效响应
Fig.4 Aging response of Ti-B20 alloy after solution at 860℃
图5 Ti-B20试样经860℃固溶后600℃时效时的显微组织
Fig.5 Microstructures of Ti-B20 samples aged at 600℃ after solution treatment at 860℃
一般商用亚稳β合金在550℃以上的较高温度时效时容易产生局部不析出现象, 显著降低材料的疲劳性能, 而Ti-B20合金由于亚稳β相较高的不稳定性, 在时效温度达640℃时析出仍然十分均匀。
2.4 固溶温度对Ti-B20合金时效性能的影响
图6所示为Ti-B20合金经780℃和860℃固溶后在不同温度时效的性能比较。
图6 经780℃ 和860℃固溶后的Ti-B20试样的时效性能
Fig.6 Aging properties of Ti-B20 samples after solution treatment at 780℃ and 860℃
从图6可以看出, 无论试样的固溶温度选择在相变点下还是相变点之上, 合金时效后的强度都随时效温度的升高而降低, 而拉伸塑性随时效温度变化的趋势则基本相反。 在相同的时效温度下, 合金在β区固溶后时效具有的强度值比α-β区固溶后时效高得多, 其差值达到了200MPa, 但这也带来了很大的负面效应, 即延伸率的急剧降低。 虽然在β区固溶后时效的试样中没有发现平行于晶界的连续α片层, 但长而连续的平直晶界同样会造成合金拉伸塑性的急剧降低, 这种现象在高强度情况下尤其明显。
同现有的亚稳β钛合金相比[11-15], Ti-B20合金的时效强化效应明显要高, 在相同的时效温度下, Ti-B20合金典型强度值可超过同类合金200(α-β固溶+时效)~400 MPa(β固溶+时效)。
3 结论
1) Ti-B20钛合金具有一般亚稳β钛合金的时效特征, 即随着时效温度的升高, 强度降低, 塑性升高, 高温时效时易出现过时效等。
2) 由于采用了“临界钼当量条件下的多元强化”作为成分设计原则, Ti-B20合金兼具近β钛合金的一些性能特点, 合金在α-β区固溶后时效具有很好的强度与塑性的匹配。
3) 同常见的亚稳β钛合金相比, Ti-B20合金的时效响应快, 时效强化效应高, 在相同的时效温度下, Ti-B20合金固溶时效后的强度在亚稳β钛合金中最高。
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基金项目: 总装备部预先研究资助项目(41312020306)
收稿日期: 2004-04-06; 修订日期: 2004-10-25
作者简介: 葛 鹏(1976-), 男, 博士研究生.
通讯作者: 葛 鹏, 博士研究生; 电话: 029-86231078; E-mail: gepeng1976@sohu.com
(编辑李向群)
