简介概要

加热速度对BT25钛合金α→β相变的影响

来源期刊：稀有金属2016年第1期

论文作者：蔡钢雷旻万明攀孙捷

文章页码：8 - 13

关键词：BT25钛合金;加热速度;相变;激活能;

摘要：采用高精度差分膨胀仪DIL805A/D测试了BT25钛合金在不同加热速度下的线膨胀曲线,并获得了合金在相应加热速度下的β相变温度。为了验证膨胀法得到的BT25钛合金β相变温度的准确性,用金相显微镜和定量分析软件分析了β相变温度附近不同温度保温后冷却得到的金相组织中相的相对含量和组织演变规律。根据膨胀曲线分析了BT25合金在加热过程中,不同温度范围内的相变情况。最后,采用杠杆定律得到不同加热过程中BT25合金α→β相变时α相转变体积分数与温度之间的变化关系。研究结果表明:膨胀法能够准确测定不同加热速度下钛合金的α→β相变点;随着加热速度的增加,BT25钛合金α→β相变的起始温度和结束温度都升高,相变温度区间变窄,相变速率明显增大。相变速率峰值和出现峰值的温度随着加热速度的增加也增大;利用Kissinger方程计算得出了加热过程中BT25钛合金α→β相变激活能为953.15 k J·mol^-1。

网络首发时间: 2015-04-07 09:26

稀有金属 2016,40(01),8-13 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2016.01.002

加热速度对BT25钛合金α→β相变的影响

蔡钢雷旻万明攀孙捷

贵州大学材料与冶金学院

贵州大学贵州省材料结构与强度重点实验室

摘要：

采用高精度差分膨胀仪DIL805A/D测试了BT25钛合金在不同加热速度下的线膨胀曲线,并获得了合金在相应加热速度下的β相变温度。为了验证膨胀法得到的BT25钛合金β相变温度的准确性,用金相显微镜和定量分析软件分析了β相变温度附近不同温度保温后冷却得到的金相组织中相的相对含量和组织演变规律。根据膨胀曲线分析了BT25合金在加热过程中,不同温度范围内的相变情况。最后,采用杠杆定律得到不同加热过程中BT25合金α→β相变时α相转变体积分数与温度之间的变化关系。研究结果表明:膨胀法能够准确测定不同加热速度下钛合金的α→β相变点;随着加热速度的增加,BT25钛合金α→β相变的起始温度和结束温度都升高,相变温度区间变窄,相变速率明显增大。相变速率峰值和出现峰值的温度随着加热速度的增加也增大;利用Kissinger方程计算得出了加热过程中BT25钛合金α→β相变激活能为953.15 k J·mol^-1。

关键词：

BT25钛合金;加热速度;相变;激活能;

中图分类号： TG146.23

作者简介：蔡钢(1985-),男,湖南岳阳人,硕士,研究方向:金属材料加工及组织性能研究;E-mail:caigangyi001@163.com;;雷旻,教授;电话:13985451763;E-mail:amin_am_am@yahoo.com.cn;

收稿日期：2014-05-21

基金：贵州省科技厅工业攻关项目(GY(2012)3002);贵阳市科技局工业攻关项目([2012101]2-8)资助;

α→β Phase Transformation in BT25 Titanium Alloy Affected by Heating Rate

Cai Gang Lei Ming Wan Mingpan Sun Jie

College of Materials and Metallurgy,Guizhou University

Key Laboratory for Mechanical Behavior and Microstructure of Materials,Guizhou University

Abstract：

Dilatometric curves of BT25 titanium alloy under different heating rates were measured by high differential dilatometry DIL805 A/D,and β phase transition temperatures of alloy at corresponding heating rates were obtained. In order to validate the accuracy of these β phase transition temperatures,the relative content of phase and the evolution of microstructure which were acquired by cooling after tempering near the β phase transition temperature were analyzed by metallographic microscope and quantitative analysis software. Phase transformation at different temperature ranges during heating was analyzed on the basis of dilatometric curve. Finally,α phase transformation fraction as a function of temperature during different heating processes was obtained by lever rule. The results showed that the expansion method was able to measure accurately the β transformation temperature of BT25 titanium alloy at different heating rates. With the increase of heating rate,the starting and the finishing points of α→β phase transformation increased while the transformation range narrowed and the transformation rate increased. Meanwhile,the peak of transformation rate and the peak temperature were becoming higher with the increase of heating rate. The overall activation energy for the α→β phase transformation in BT25 alloy was evaluated on the basis of Kissinger equation,and the value was 953. 15 k J·mol^-1.

Keyword：

BT25 titanium alloy; heating rate; phase transformation; activation energy;

Received： 2014-05-21

BT25 钛合金是前苏联研制的一种热强钛合金,属于以 α 相为主的马氏体型 α + β 两相钛合金。其名义成分为Ti-6. 5Al-2Mo-1Zr-1Sn-1W-0. 2Si,中国牌号为TC25。由于添加了合金元素锡( Sn) 和高熔点的钨( W) ,使得此钛合金的热强性和耐热性得到了大幅提升,同时延长了钛合金的工作寿命。BT25 钛合金具有较好的高温力学性能,在500 ℃以下工作时间可达6000 h,在550 ℃ 达3000 h,因此适用于制造航空发动机压气机零件^[1,2]。钛合金 α→β 相变温度即 β 转变温度( T_β)是制定钛合金最佳变形和热处理工艺所必需的参数。特别是对钛合金进行高温变形研究时,要求在相变点附近热变形^[3,4,5,6,7],这就对T_β的精确测定提出了更高的要求。而不同的加热速度下测得的T_β不同^[8,9],因此深入研究BT25 钛合金在连续加热过程中不同加热速度对 α→β 相变的影响,准确测定 β 转变温度,对BT25 钛合金的热加工工艺具有重要意义。本文采用膨胀法研究了连续加热过程中不同加热速度对BT25 钛合金相变过程的影响,精确测定了不同加热速率下的T_β,并计算了合金在连续加热过程中 α→β 相变的激活能,为BT25钛合金的热加工工艺制订提供理论依据。

1 实验

从 Ф25 cm的热轧BT25 合金棒材上切取尺寸为 Ф4 mm × 10 mm的试样,然后在Bhr DIL805A/D高精度差分膨胀仪上进行实验。加热和保温过程中真空度为5. 0 × 10^{- 8}MPa,冷却介质选用高纯Ar气( 99. 999% ) 。

采用膨胀法进行相变动力学研究。将试样分别以50,100,200,300 ℃·min^{- 1}的速度加热到1100 ℃ ,再以80 ℃·s^{- 1}的速度将其冷却至室温,获得加热膨胀曲线。

采用连续升温金相法测定不同加热速度下的β 相变温度。根据膨胀法测得的曲线选取淬火温度: 当加热速度为100 ℃·min^{- 1}时,取1015,1020和1025 ℃; 300 ℃·min^{- 1}时,取1025,1030 和1035℃ 。各温度下保温40 min后,再以80 ℃·s^{- 1}的速度进行冷却。将淬火试样通过磨制、抛光,制作成金相试样,然后采用HF∶ HNO₃∶ H₂O = 1∶ 2∶ 5( 体积比) 配比溶液进行腐蚀,在Leica DMI5000M金相显微镜( OM) 上进行观察和分析,并通过Imagepro-plus 6. 0 软件统计分析显微组织。

2 结果与讨论

2. 1 线应变量变化

采用膨胀法研究钛合金 α,β 两相之间的相变是一种很有效的方法^[8,10,11]。图1 为BT25 合金以50,100,200,300 ℃·min^{- 1}加热时的应变量与加热温度的关系曲线。由图1 可以看出,不同速度加热得到的膨胀曲线具有相似的变化规律,随着加热温度的增加,膨胀曲线发生3 次明显偏移,并且随着加热速度的增加,3 次偏移所对应的温度也增加。

以加热速度为100 ℃·min^{- 1}的膨胀曲线( 图2)为例进行说明,AB段( < 570 ℃) 是合金在连续加热时的正常膨胀阶段,其线膨胀量与加热温度近似呈线性关系; BC段( 570 ~ 745 ℃) ,合金的膨胀曲线发生了偏移,合金的膨胀率( 膨胀曲线切线的斜率) 缓慢增大,说明此时有相变产生。根据文献[8]研究表明,因原合金的尺寸较大、退火热处理时间不够,合金还处于非平衡状态,当加热到一定温度后,原子扩散容易,在BT25 合金内发生了 β→α相变,又由于体心立方β相的比容不同于密排六方的α相,从而引起膨胀曲线偏移。CD段(745~1017℃)发生α→β相变。当加热温度达到745℃,膨胀曲线再次发生偏移,此时BT25合金中的α相开始逐渐转变为β相。因为BT25合金处于平衡相图的两相区,为达到对应温度的平衡状态而发生α→β相变。从曲线上可以看出,此处合金膨胀率开始减小,当温度升至986℃后,合金膨胀率开始缓慢增大,直至1017℃。DE段(>1017℃),BT25合金的膨胀曲线不再发生偏移,膨胀量与加热温度再次呈近似线性关系,可以说明α→β转变基本完成,对应温度可认为是β转变温度。

图1试样在加热过程中应变量与温度的关系曲线Fig.1 Measured relative length changes of specimens as a function of temperature

图2 试样在100 ℃·min- 1加热速率加热时膨胀曲线Fig. 2 Dilatometric curve of specimen at heating rate of 100℃·min-1

2.2连续升温金相法测定不同加热速度下的β相变温度

图3 为加热速度为100 和300 ℃·min^{- 1}时,不同温度保温后冷却得到的金相组织。由图3 可以看出,在100 ℃·min^{- 1}加热速度下,1010 ℃ 保温40min后的淬火组织中仍有少量等轴初生 α 相( 用Image-pro-plus 6. 0 软件计算为1. 3% ) ; 在1015 ℃保温40 min后,初生 α 相的含量已经很少( 0. 2% ) ; 在1020 ℃保温40 min后 α 相已经完全消失,得到全部的马氏体组织。而在300 ℃·min^{- 1}加热速度下,在1025 ℃保温40 min后的淬火组织中还有1. 1% 的等轴初生 α 相; 在1030 ℃ 保温40 min后,α 相已经转变完全。可估算出在100 和300 ℃·min^{- 1}加热速度下,BT25 钛合金的 α→β 相变温度T_β分别为1016 和1029 ℃。而膨胀法得到的相变温度分别为1017 和1031 ℃( 表1) 。由此可知采用膨胀法得到的 α→β 相变温度与连续升温金相法得到的相变温度非常接近。这表明BT25 钛合金采用膨胀法得到的相变点真实可靠,BT25 钛合金相变温度受到加热速度影响,并随着加热速度增加呈增大趋势。

2. 3 相变动力学

根据钛合金的膨胀曲线,可以采用杠杆定理来确定 α→β 相变时 α 相转变体积分数f与温度T的变化关系^[8,12,13]。由图2 可知,当温度达到C点( 745 ℃) 后,如果不发生相变,则膨胀系数为一定值,膨胀曲线沿着虚线CM段延伸,假定加热温度为t ℃时,膨胀曲线应到达M点。但由于有相变发生,使得曲线沿CO段到达了O点,MO段是相变带来膨胀量变化。同样,MN段是假定t ℃ 时相变完全后,相变引起膨胀量变化。所以根据杠杆定理,t ℃时 α 相转变体积分数f可表示为

图3加热速度为100和300℃·min-1时不同温度下的金相组织Fig.3 OM images of BT25 alloy quenched at different temperatures with heating rates of 100℃·min-1(a,b,c)and 300℃·min-1(d,e,f)

(a)1010℃;(b)1015℃;(c)1020℃;(d)1025℃;(e)1030℃;(f)1035℃

表1 不同加热速率时测得的T_β温度Table 1 Measured T_βtemperature for various heating rates 下载原图

表1 不同加热速率时测得的T_β温度Table 1 Measured T_βtemperature for various heating rates

由式( 1) 可获得连续加热过程中温度与 α 相转变量关系( 如图4 所示) 。由图4 可知,BT25 钛合金在不同加热速度下 α 相转变体积分数随温度的转变趋势大体相同。随着加热速度的增加,α→β 相变的起始温度和结束温度升高,α→β 相变的温度区间变窄,相变时间缩短。这表明加热速度的增加引起了 α→β 相变过热度的增大,而且加快了α→β 相变的速度。

连续加热时的相变速率( df/dt) ,也是相变过程的重要因素。将 α 相转变体积分数对转变时间求导,可以确定相变过程中不同温度下的相变速率。由图5 可以看出,相变速率随加热速率的增加而增大。在整个相变过程中,存在一个相变速率df / dt峰值,而且此峰值随加热速度的增加明显增大,同时出现相变速率峰值温度的升高。这表明对于由扩散控制的钛合金 α→β 相变,加热速度增加导致过热度增大,从而提高 α→β 相变的形核率与长大速率,使其相变速率增大。

图4 α 相转变体积分数与温度的关系曲线Fig. 4 α phase transformation fraction as a function of temperature

图5 α 相转变速率与温度的关系曲线Fig. 5 α phase transformation rate as a function of temperature

2. 4 相变的激活能

相变过程中需要跃过的能垒( 形核驱动力和长大驱动力) 称为相变激活能。根据BT25 钛合金在不同加热速率时的 β 转变温度( 表1) ,可用Kissinger方程计算出 α → β 相变过程的总相变激活能^[8,9,14,15]。Kissinger方程为

式( 2) 中H为加热速率( K·min^{- 1}) ; T_β为相变点( K) ;Q为总相变激活能( k J·mol^{- 1}) ; k为JMA方程指前因子,是一个常数; R为气体常数,R =8.314 k J·mol^-1·K^-1。

由式( 2) 可知,在ln( H/T_β²) - 1 /T_β坐标系下的直线,其截距为ln( Rk /Q) ,斜率为- Q/R,由此可得到 α→β 相变过程的总相变激活能Q。由表1得到ln( H/T_β²) - 1 /T_β图及其线性回归拟合直线( 图6) ,线性拟合的相关系数为98. 96% 。拟合直线的斜率为- 114699,所以总相变激活能Q为953. 15 k J·mol^{- 1}。钛合金中 α→β 相变主要由扩散控制的,其形核驱动力和长大驱动力都与合金元素在 α,β 相中的扩散激活能密切相关。合金元素在 α 相中的扩散系数很低,只有在 β 相中才明显加快,所以合金元素在 α 相中的扩散激活能很高。BT25 钛合金添加了其他热强钛合金少有的W元素,它与Ti形成无限固溶体。而W的熔点高、比重大、不易均匀化,易发生夹杂、偏析^[16]。文献[17]也指出W元素可以明显降低扩散速率、扩大α 相区。这就增大了 α →β 相变过程的扩散激活能。所以W元素的加入可能是BT25 钛合金相变激活能较高的因素之一。