简介概要

热处理对Ti-25V-15Cr-2Al-2Mo-0.2C合金组织稳定性的影响

来源期刊：稀有金属2003年第4期

论文作者：曹春晓雷力明孙福生黄旭赵红霞王宝

关键词：金属材料; 阻燃钛合金; Ti-25V-15Cr-2Al-2Mo-0.2C; 热处理; 微观组织; 组织稳定性;

摘要：研究了热处理对Ti-25V-15Cr-2Al-2Mo-0.2C阻燃β钛合金组织稳定性的影响. 结果表明, 高温固溶并直接时效处理导致合金β基体上析出较多的α相沉淀, 尤其在随后的热暴露组织中形成了恶化合金塑性的连续晶界α膜. 然而, 若在时效前再进行一次低温固溶处理则可明显减少α相的析出数量, 合金的热稳定性因此而得到显著改善.

稀有金属 2003,(04),503-506 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2003.04.021

热处理对Ti-25V-15Cr-2Al-2Mo-0.2C合金组织稳定性的影响

黄旭孙福生王宝赵红霞曹春晓

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,北京航空材料研究院,北京航空材料研究院北京100095 ,北京100095 ,北京100095 ,北京100095 ,北京100095 ,北京100095

摘要：

研究了热处理对Ti 2 5V 15Cr 2Al 2Mo 0 .2C阻燃β钛合金组织稳定性的影响。结果表明 , 高温固溶并直接时效处理导致合金 β基体上析出较多的α相沉淀 , 尤其在随后的热暴露组织中形成了恶化合金塑性的连续晶界α膜。然而 , 若在时效前再进行一次低温固溶处理则可明显减少α相的析出数量 , 合金的热稳定性因此而得到显著改善。

关键词：

金属材料;阻燃钛合金;Ti-25V-15Cr-2Al-2Mo-0.2C;热处理;微观组织;组织稳定性;

中图分类号： TG166

收稿日期：2002-11-11

基金：英国Rolls Royce公司资助项目 ( 2 0 0 0～ 2 0 0 2 );

Effect of Heat Treatment on Microstructural Stability of Ti-25V-15Cr-2Al-2Mo-0.2C Alloy

Abstract：

The effect of heat treatment on the microstructural stability of non burning β titanium alloy Ti 25V 15Cr 2Al 2Mo 0 2C (%) was investigated. The results show that direct aging after a solution treatment at high temperature leads to a higher level of α precipitates, especially in the subsequent exposure microstructure a continuous grain boundary α film is formed, which is detrimental to the ductility of the alloy. However, the number of α precipitates will significantly decrease if a solution treatment at lower temperature is performed again before the aging-thus the thermal stability of the alloy is markedly improved.

Keyword：

metal materials; non burning titanium alloy; Ti 25V 15Cr 2Al 2Mo 0.2C; heat treatment; microstructure; microstructural stability;

Received： 2002-11-11

高性能航空发动机零部件抗燃烧的特殊要求促进了阻燃钛合金的发展, 目前重点研究的一类阻燃钛合金是Ti-V-Cr系合金, 如美国的Alloy C (Ti-35V-15Cr, 质量分数, 下同) 合金 ^[1,2] , 英国的Ti-V-Cr-Al系合金 ^[3,4,5,6,7] 以及中国的Ti40 (Ti-25V-15Cr-0.2Si) 合金 ^[8] 等等。这类合金与Ti-15-3, β21s ^[9] 等亚稳定β合金不同, 它们的β稳定元素含量均超过了25%, 因而被称为β稳定型钛合金 ^[10] 。研究表明 ^[6,7,8] , 高温长期热暴露会促使这类合金β基体上析出少量的α相沉淀 (即使具有最高Mo当量的Alloy C合金也不例外 ^[11] ) , 从而显著降低了合金的塑性。因此, 提高合金的组织稳定性已成为发展Ti-V-Cr系阻燃合金所关注的重要问题之一。名义成分为Ti-25V-15Cr-2Al-2Mo-0.2C的合金是一种新研制的低成本Ti-V-Cr系阻燃β钛合金, 本文提供了一种能明显提高其组织稳定性的热处理工艺。

1 实验方法

实验用Ti-25V-15Cr-2Al-2Mo-0.2C合金由中间合金和纯元素材料经两次真空自耗电弧熔炼制成15 kg铸锭, 经过开坯锻造, 最后轧制为Φ18.5 mm的棒材。

该合金相变温度t_β为 (810±10) ℃。轧制棒材先经过1050 ℃/0.5 h/AC高温固溶处理以获得完全再结晶组织, 随后再分别进行两种不同热处理, 一种是700 ℃/4 h/AC时效处理 (A工艺, 由英国Rolls-Royce公司提供) , 另一种是850 ℃/2 h/FC低温固溶+双重时效处理 (700 ℃/6 h/FC+540 ℃/6 h/AC) (B工艺) 。将经过两种热处理的试样在540 ℃ (该合金的期望使用温度) 热暴露100 h以研究其组织稳定性。

用JSM-5600LV型扫描电镜进行微观组织和断口形貌观察, TEM观察在JEOL 200CX或HITACHI H-800型透射电镜上进行。

2 结果及讨论

2.1 热处理组织

图1显示了实验合金的两种热处理组织。在A工艺组织中 (图1 (a) ) , β基体上除球形或短棒状的碳化物颗粒 (直径约为2～6 μm) 外, 还有许多细小的麻点状沉淀析出 (尺寸小于1 μm) , TEM分析表明它们是α相 ^[12] 。与之明显不同的是, B工艺组织中β晶内几乎没有α沉淀析出, 仅在晶界上存在很少量的α相 (图1 (b) ) 。

图2 (a, b) 为碳化物颗粒和α沉淀的TEM形貌。可以清楚看到, α相多呈条片状从β基体上析出 (图2 (b) ) 。

850 ℃低温固溶处理是B工艺明显抑制α相析出的主要原因, 其发挥的关键作用可以从形成α相的热力学和动力学条件得到解释。

图1 Ti-25V-15Cr-2Al-2Mo-0.2C合金的热处理组织 (a) A 工艺; (b) B工艺

Fig.1 Microstructures of Ti-25V-15Cr-2Al-2Mo-0.2C alloy heat treated by process A (a) and process B (b)

图2 碳化物 (a) 和α相 (b) 的TEM形貌

Fig.2 TEM images showing the morphologies of carbides (a) and α phase (b)

热力学方面: 间隙氧原子被认为是导致Ti-V-Cr系β合金中析出少量α相的主要原因 ^[5,11,12] , 因而要有效减少α相析出就要设法降低合金中的氧含量。有研究表明 ^[5] , Ti-V-Cr系合金中添加少量碳元素可以抑制α相析出, 这是利用碳化物的吸氧特性。本研究合金中也添加了少量碳元素, 850 ℃固溶处理能使β基体中的间隙氧原子充分向碳化物扩散, 从而极大降低了合金基体中的氧含量。需要指出的是, 合金中的Al元素对α相析出也有一定的影响, 它增加了α相有序化的倾向 ^[13] 。

动力学方面: β基体中的空位缺陷是α相的有利形核位置, 降低其数目有利于抑制α相析出, Li等 ^[6] 的工作也证实了这一点。 850 ℃固溶处理可以有效减少合金中的空位缺陷数目。 B工艺中的双重时效处理 (700 ℃/6 h/FC+540 ℃/6 h/AC) 可以进一步稳定合金组织。

2.2 热暴露组织

图3示出了合金540 ℃, 100 h热暴露后的组织。从图3 (a) 可看到, A工艺热暴露组织中晶内和晶界的α沉淀数量均显著增加, 特别是晶界上形成了危害合金塑性的连续α膜 (晶界TEM形貌如图3 (c) 所示) 。在B工艺热暴露组织中 (图3 (b) ) , 晶内的α沉淀仍然很少, 虽然晶界上的析出增加, 但未形成大量连续的α膜 (晶界TEM形貌如图3 (d) 所示) 。

2.3 拉伸性能及断口观察

表1给出了合金的室温拉伸和热稳定性能的测试结果。比较可以看出, B工艺试样在热暴露前后都具有比A工艺试样更好的塑性。

两种工艺试样热暴露后的拉伸断口形貌如图4所示。可以看到, A工艺试样的拉伸断口呈典型脆性沿晶断裂特征 (图4 (a) ) , 而B工艺试样断口呈韧窝+沿晶的混合断裂方式 (图4 (b) ) , 说明其仍具有相当的塑性。

图3 经540 ℃, 100 h热暴露后的Ti-25V-15Cr-2Al-2Mo-0.2C合金的组织

Fig.3 Microstructures of Ti-25V-15Cr-2Al-2Mo-0.2C alloy exposed at 540 ℃ for 100 h, following process A (a, c) and process B (b, d)

(a, c) A工艺+540℃100 h; (b, d) B工艺+540℃100 h

图4 经540 ℃, 100 h热暴露后的Ti-25V-15Cr-2Al-2Mo-0.2C合金的拉伸断口形貌

Fig.4 Tensile fractographs of Ti-25V-15Cr-2Al-2Mo-0.2C alloy exposed at 540 ℃ for 100 h, following process A (a) and process B (b)

(a) A工艺+540℃100 h; (b) B工艺+540℃100 h

表1 Ti-25V-15Cr-2Al-2Mo-0.2C合金的室温拉伸和热稳定性能*Table 1 Room temperature tensile properties and thermal stability of Ti-25V-15Cr-2Al-2Mo-0.2C alloy

条件	σ_b/MPa	σ_0.2/MPa	δ₅/%	ψ/%
工艺 A	969	943	15	23
工艺 B	938	930	19	41
工艺A+540 ℃/100 h	960	947	10	11
工艺B+540 ℃/100 h	995	965	16	29

* 执行两种工艺前先对锻造试样进行了1050 ℃/0.5 h/AC高温固溶处理

3 结论

Ti-25V-15Cr-2Al-2Mo-0.2C合金是一种新型的阻燃β钛合金。高温固溶并直接时效处理促使合金β基体上析出较多的α相沉淀, 尤其在随后的热暴露组织中形成了恶化合金塑性的连续晶界α膜。然而, 若在时效前再进行一次低温固溶处理则可明显减少α相的析出数量, 合金的热稳定性因此而得到显著改善。