文章编号：1004-0609(2010)S1-s0565-05
冷却速率对Ti-5.8Al-3Mo-1Cr-2Sn-2Zr-1V-0.15Si
合金组织及性能的影响
宋 淼，马英杰，邬 军，李玉兰，刘羽寅，雷家峰
(中国科学院 金属研究所 钛合金研究部，沈阳110016)
摘 要：通过金相显微术、SEM和TEM等分析测试方法研究了固溶时效处理制度中固溶后冷却速率对Ti-5.8Al-3Mo-1Cr-2Sn-2Zr-1V-0.15Si合金显微组织及力学性能的影响。结果显示：随着固溶后冷却速度的降低，β相中β稳定元素含量逐渐升高，α相稳定元素含量逐渐下降，对次生α相的析出阻力变大，故后继时效析出的次生α相尺寸减小。同时，固溶后合金的初生α相板条宽度增加，可观测到的β相逐渐减少。冷却速度影响合金力学性能的原因在于合金中初生α相，次生α相，β相的比例和形貌的改变。
关键词：钛合金；显微组织；冷却速率；拉伸性能
中图分类号：TF 804.3 文献标志码：A
Effect of cooling rate on microstructure and properties of Ti-5.8Al-3Mo-1Cr-2Sn-2Zr-1V-0.15Si alloy
SONG Miao, MA Ying-jie, WU Jun, LI Yu-lan, LIU Yu-yin, LEI Jia-feng
(Titanium Alloys Division, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)
Abstract: The effect of cooling rate after solution treatment on the microstructure and mechanical properties of Ti-5.8Al-3Mo-1Cr-2Sn-2Zr-1V-0.15Si alloy was studied by the OM, SEM and TEM. It is found that as the cooling rate decreases, the β stabilizers increase and the α stabilizers decrease in the β phase, thus the precipitation of second α phase becomes difficult during sequent aging, and the precipitated second α phase becomes small. At the same time, the lamellar of primary α becomes coarse, and the amount of β phase decreases. The effect of cooling rate on the mechanical properties lies in the change of the amount and pattern of primary α phase, secondary α phase and β phase.
Key words: titanium alloy; microstructure; cooling rate; tensile property
随着损伤容限方法被广泛地接受，具有高断裂韧性和低裂纹扩展速率的钛合金受到人们的重视[1]。目前，国外已经研制出高断裂韧度、低裂纹扩展速率的损伤容限钛合金，即低间隙Ti-6Al-4V(β-ELI)和Ti-6- 22-22S[2-3]。为了满足需求，获得具有高强、高韧、高模量相结合的钛合金，中国科学院金属研究所根据材料的晶体学理论设计了一系列(α+β)两相钛合金。Ti-5.8Al-3Mo-1Cr-2Sn-2Zr-1V-0.15Si合金是其中性能最好的一种, 在50 kg的铸锭条件下研究，合金热处理后的室温力学性能为：屈服强度σ0.2≥1 050 MPa，抗拉强度σb≥1 150 MPa，伸长率δ≥10%，断面收缩率Z≥18%，断裂韧性 KIC≥72 MPa?m1/2。合金的铝当量为10.47，钼当量为5.38，β稳定化系数为0.51。为了满足棒材的工程应用，研究合金冷却速度对力学性能的影响十分必要。本文作者主要研究合金经过(α＋β)两相区上部固溶后不同的冷却速率下显微组织和相组成的变化，再经过两相区下部时效后显微组织的变化，以及此过程中合金拉伸性能的变化。
1 实验
选用零级海绵Ti、海绵Zr、Al豆和中间合金，采用ZHT-650真空自耗电弧炉经3次熔炼得到铸锭。
金相法测得的(α＋β)/β相变点为953 ℃左右。铸锭经过β单相区锻造开坯，再经(α＋β)两相区锻造及β单相区墩饼得d 300 mm的饼材。其化学成分如表1所示。
表1 实验用合金的化学成分
Table 1 Chemical composition of alloy tested (mass fraction, %)
合金的热处理方案包括以下两步：1) 920 ℃固溶0.5 h，之后按水冷(WQ)，空冷(AC)，炉冷(FC) 3种冷却方式冷却；2) 在540 ℃时效8 h，空冷。
将热处理后的合金加工成M10 mm×5 mm，标距为30 mm，总长为55 mm的圆棒状拉伸试样。单向拉伸试验在AG-100kNG实验机上室温下完成，屈服前、后的应变速率分别为5.56×10-4、27.78×10-4 s-1。
微观组织观察分别在Zeiss-Axiover200MAT金相显微镜，带有Oxford能谱分析的S-3400N Hitachi扫描电镜和FEI Tecnai G2 20透射电镜上完成，物相分析在Rigaku D/max-2400PC X射线衍射仪上用Cu Kα衍射进行，并以4 (?)/min的扫描速度进行。
2 结果与分析
2.1 冷却方式对Ti-5.8Al-3Mo-1Cr-2Sn-2Zr-1V-0.15Si合金显微组织和相组成的影响
图1和图2分别给出了固溶后不同的冷却方式对合金的相组成和显微组织的影响。从图1可以看出：在920 ℃固溶0.5 h后水淬，合金中除了产生初生α相之外，还产生了α″马氏体。这是由于β相在快冷时不能通过扩散转变成平衡的α相，而合金中的β相稳定元素含量又不足以使所有的高温β相保留到室温，β相中的原子只能通过集体有规则的近程迁移，发生切变形成溶质元素过饱和的马氏体α″，其通常为针状，具有较大的纵横比。然而，在本合金中其与初生α相在形貌上较难区别开来，因为某些经过热加工变形的初生α相也可能具有较大的纵横比。
图1 920 ℃固溶后采用不同冷却方式得到的合金的相组成
Fig.1 Phase constitutions of samples with different cooling styles after solution treatment at 920 ℃: (a) Water quenching; (b) Air cooling; (c) Furnace cooling
从图1还可以看出：随着冷却速度的降低，合金的β相的(110)衍射峰发生变化，反映出来的是β相的晶胞参数的变化，本质的原因是构成β相的化学成分发生了变化。能谱结果(表2)显示：随着冷却速度的降低，β相中的V，Mo和Cr元素含量逐渐上升，Al和Ti含量逐渐下降；同时，随着固溶后冷却速度的降低，α″相不再产生，固溶后的合金由α和β两相构成。从图2可以看出：随着固溶冷却速度的降低，合金的初生α相板条宽度增加，部分初生α相发生等轴化，β相逐渐减少。
2.2 后继时效对合金显微组织和相组成的影响
图3所示为时效后合金的相组成。可见：固溶水
表2 不同冷却速率对合金中的β相的化学成分的影响
Table 2 EDS results of β phase after different cooling rate of solution treatment (mass fraction, %)
图2 920 ℃固溶后的冷却方式对合金的显微组织的影响
Fig.2 Effect of cooling rate after solution treatment on microstructure of samples: (a), (b) Water quenching; (c), (d) Air cooling; (e), (f) Furnace cooling
冷后产生的α″相马氏体经过时效后完全分解；同时，合金中未分解的β相的比例逐渐升高。从图4、图5可以看出：经时效后，合金中产生大量的次生α相。从TEM形貌来看，随着固溶冷却速率的降低，后续时效产生的次生α相尺寸逐渐减小。这可能是由于随着固溶后冷却速率的降低，合金中的β相的稳定元素含量逐渐升高，α稳定元素逐渐减少，对次生α相的析出阻力变大，析出的次生α相尺寸变小。
2.3 热处理对合金力学性能的影响
表3所示为合金经过不同热处理后的拉伸性能。固溶水冷后合金的屈服强度较低，其应力—应变曲线显示样品出现了双屈服现象。经时效后，随着固溶冷速的降低，材料的强度逐渐降低，塑性逐渐上升，时效强化效果变得显著。合金的力学性能由初生α相，次生α相，β相的相对比例变化及形态变化决定。固溶水冷的样品经时效后，残余β相含量最少，初生α相板条最细、含量最少，次生α则较粗大、比例最高，其抗拉强度最大，韧性最低；而固溶炉冷的样品经时效后，残余β相含量最高，初生α相板条最宽、含量最多，次生α则较细、比例最少，其抗拉强度最低，韧性最高；固溶后空冷的样品经时效后性能则介于两者之间。后续时效的强化效果与β相分解比例和次生α的比例和形貌密不可分，残余β相越少，次生α的比例越高，则合金时效强化效果越显著，同时塑性降低也越多。冷却速度影响合金的力学性能的原因在于改变合金中初生α相，次生α相，β相的相对比例和形貌。
图3 固溶时效处理后合金的相组成
Fig.3 Phase constitution of samples after solution and aging treatment: (a) Water quenching; (b) Air cooling; (c) Furnace cooling
图4 固溶时效处理后合金的SEM像
Fig.4 SEM images of samples after solution and aging treatment: (a) Water quenching; (b) Air cooling; (c) Furnace cooling
图5 固溶时效处理后合金的TEM像
Fig.5 TEM images of samples after solution and aging treatment: (a) Water quenching; (b) Air cooling; (c) Furnace cooling
3 结论
1) 随着固溶冷却速度的降低，β相中的V，Mo和Cr元素含量逐渐升高，Al和Ti含量逐渐下降。同时，合金的初生α相板条宽度增加，β相逐渐减少。
表3 热处理后合金的拉伸性能
Table 3 Tensile properties of alloy after heat treatment
2) 固溶后冷却速率的降低，合金中的β相的β稳定元素含量逐渐变高，对次生α相的析出阻力变大，固溶后时效析出的次生α相尺寸减小。
3) 冷却速度影响合金的力学性能的原因在于改变合金中初生α相，次生α相，β相的比例和形貌。
REFERENCES
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[2] 付艳艳, 宋月清, 惠松骁, 米绪军. 航空用钛合金的研究与应用进展[J]. 稀有金属, 2006, 30: 850-855.
FU Yan-yan, SONG Yue-qing, HUI Song-xiao, MI Xu-jun. Progress of research and application of titanium alloys in aerospace field [J]. Rare Metals, 2006, 30: 850-855.
[3] WOOD J R, RUSSO P A, WELTER M F, CRIST E M. Thermomechanical processing and heat treatment of Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-Si for structure application [J]. Material Science and Engineering A, 1998, 243: 109-118.
(编辑 杨 兵)
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