文章编号：1004-0609(2013)S1-s0485-05
热处理对Ti3Al基合金板材微观组织和力学性能的影响
郭佳林1，魏寿庸1，杨 奇1，王 新1，曹京霞2
(1. 宝鸡钛业股份有限公司，宝鸡 721014；
2. 北京航空材料研究院，北京 100095)
摘 要：
研究热处理工艺对Ti3Al基合金热轧板材(1.9 mm×900 mm×3 000 mm)组织和性能的影响。结果表明：当板材在900~1 050 ℃退火时，退火温度对微观组织和室温塑性(δ5)影响较为明显，对室温强度的影响则较小；时效时间对板材的室温和高温性能影响不明显，同时固溶时效后的板材具有较好的超塑性，在条件为温度1 020 ℃、变形速率2×10-4 s-1时，其伸长率达到617%。
关键词：
中图分类号：TG113.1；TG113.25 文献标志码：A
Effect of heat treatment on microstructures and mechanical properties of Ti3Al based alloy sheet
GUO Jia-lin1, WEI Shou-yong1, YANG Qi1, WANG Xin1, CAO Jing-xia2
(1. Baoji Titanium Industry Co., Ltd., Baoji 721014, China;
2. Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)
Abstract: The effect of heat treatment on microstructures and mechanical properties of Ti3Al based hot-rolling alloy sheet (1.9 mm×900 mm×3 000 mm) was studied. The results show that microstructures and plasticity at the room temperature will change obviously while annealing temperature is between 900 and 1 050 ℃. No significant differences of the room and elevated temperature properties are observed after long time aging treatment, but the treated sheet has excellent superplasticity. The elongation rate reaches 617% under the condition of 1 200 ℃ temperature and 2×10-4 s-1 deformation rate.
Key words: Ti3Al based alloy sheet; microstructures; mechanical properties; superplasticity
Ti3Al基合金具有低密度、高比强度及优异的高温性能，是航空、航天飞行器理想的轻质高温结构材料，具有广泛的应用前景。其作为结构材料可在650~700 ℃长期使用，短时使用温度可达700~900 ℃，至今所发展的基于Ti-(22~25)Al-(8~27)Nb成分Ti3Al基合金已具有工程意义，材料的性能大多随Nb质量分数的提高而得到改善[1-5]。
目前，国外Ti3Al基合金的研究已从实验室发展到工业化生产规模，在国内也已逐步进入工业化试制阶段，大型铸锭、环件等的制备工艺已经比较成熟，但在大规格板材制备方面比较欠缺，特别是宽幅薄板与国外还有较大的差距。热轧Ti3Al基合金板材做进一步成型或冷轧之前，必须经过热处理，降低板材强度，提高板材塑性。国内相关Ti3Al基合金板材热处理工艺的报道较少。张建伟等[6]研究Ti-23Al-17Nb合金板材α2+B2两相区固溶处理以及α2+B2两相区固溶和O+B2两相区时效处理后的组织性能。曹京霞等[7]研究Ti-24Al-15Nb-1.5Mo合金板材O相单相区、O+B2两相区、α2+O+B2三相区退火后的组织和室温力学性能等。Ti3Al基合金具有良好的超塑性性能，合金板材结构件成型也可采用超塑性成型工艺，有关Ti3Al基合金超塑性性能尚未见报道。本研究选用我国自主研制的Ti-24Al-15Nb-1Mo 钛铝基合金制备宽幅薄板，研究热处理工艺对板材性能的影响和板材的超塑性性能。研究结果将对这类合金板材轧制变形后的热处理工艺和材料的应用提供一定的参考。
1 实验
研究采用的Ti3Al基合金成分为Ti-24Al-15Nb-1Mo，铸锭采用3次真空自耗炉熔炼，在B2相区开坯并锻制板坯，α2+B2两相区和α2+B2+O三相区轧制得到1.9 mm×900 mm×3 000 mm宽幅薄板。Ti-24Al-15Nb-1Mo合金板材成品轧制加工时，坯料的加热温度在α2+B2+O三相区[8]，在该温度下为α2+B2+O三相组织。轧制变形后，板材直接冷却形成初生α2相和转变B2相组成的双态组织。初生α2相在轧制方向上为断续(等轴)、拉长(长条)的形貌，次生α2/O相片状集束(细板条)，并有一部分B2相保留下来，分布于集束周围。板材的组织如图1所示，
图1 热轧态板材的微观组织
Fig. 1 Microstructure of hot-rolling alloy sheet
按照以下的方案进行热处理实验：
步骤① 在900、950、1 000、1 050 ℃对薄板进行退火，保温30 min，空冷。热处理后，测试板材试样的室温拉伸性能，并观察相应的显微组织。
步骤② 板材经990 ℃、30 min固溶处理后，对其进行815 ℃、30 min的多次时效。热处理后，测试试样的室温和高温拉伸性能。
步骤③ 板材经990 ℃固溶处理+(815 ℃、30 min)时效后，测试其在2×10-2、2×10-3、2×10-4 s-1等3种应变速率下的超塑性性能。
板材的显微组织采用JSM 5600和Philips Quanta 600扫描电镜进行观察。
2 结果与讨论
2.1 退火温度对板材室温力学性能和微观组织的影响
不同退火温度下板材室温力学性能如图2所示。从图2中可见： 900~950 ℃退火时，随着退火温度的升高，抗拉强度和屈服强度降低，同时塑性得到明显提高。950~1 050 ℃退火，随着退火温度的升高，抗拉强度和屈服强度略有提高。在1 000 ℃左右，塑性最好(伸长率达到21.4%)，塑性和强度匹配良好，退火温度继续提高(1 000~1 050 ℃)，塑性剧烈降低。
综合分析图2可知：退火温度对板材的屈服强度影响较大，抗拉强度(σ)影响不大，在4种退火温度下，抗拉强度的波动幅度仅几十MPa。塑性指标(δ5)受退火温度影响则极为显著。
图2 退火温度对板材室温力学性能的影响
Fig. 2 Effect of annealing temperature on room-temperature mechanical properties of alloy sheet
图3所示为不同温度退火后板材的微观组织。900~950 ℃退火都处于α2+B2+O三相区，无相转变，随着退火温度的提高，次生α2/O相片状集束粗化。1 000 ℃退火处于α2+B2两相区，发生α2→B2相、O→B2相的转变，快速冷却后，最终形成初生α2+ B2/O片状集束混合组织(板材较薄，冷速快，α2+B2+O相区温度范围很窄，次生α2来不及析出)，微观组织中B2相体积分数显著增加，O相体积分数降低。1 050 ℃退火也处于α2+B2两相区，初生α2+ B2/O片状集束混合组织(魏氏组织)中的B2相体积分数进一步增加，O相体积分数大幅降低，几乎消失殆尽。
图4所示为1 050 ℃退火时板材微观组织(魏氏组织)2 000倍放大照片，在该图中可以清晰地看见原始B2晶界，α2相分布在晶界处。张建伟等[9]研究认为：随着退火温度的升高，α2相的体积分数逐渐减少，残留的α2相颗粒大多分布于B2相晶界上，对B2相晶粒的长大具有阻碍作用。
图3 1.9 mm板材不同温度退火后的微观组织
Fig. 3 Microstructures of 1.9 mm thick sheet after annealing at different temperatures
综上所述：在900~950 ℃退火时，随着退火温度的提高，抗拉强度和屈服强度降低，是因为次生α2/O相片状集束粗化。另外，塑性的提高也是因α2/O相片状集束粗化，集束粗化后，α2/ B2、O/ B2、α2/O相界面表面积增大，更好地抑制了裂纹的扩展。
图4 1 050 ℃退火时板材微观组织放大照片
Fig. 4 Enlarged view of sheet annealing at 1 050 ℃
在1 000 ℃退火时，塑性指标达最高值，是因为B2相体积分数增加，B2相的增加可以显著提高材料的塑性。在1 050 ℃退火时，塑性剧烈下降是因退火温度在α2+B2两相区上部区域，得到魏氏组织。
2.2 时效时间对板材组织和力学性能的影响
板材经1 000 ℃左右退火时，塑性和强度指标能得到良好的匹配，故选择在990 ℃对1.9 mm板材进行固溶处理。固溶处理完成后在815 ℃进行不同时间时效。
图5所示为时效时间对板材室温和高温力学性能的影响。从图5中可见：无论是室温还是高温，随时效时间的增加，拉伸强度(σb)略有降低，塑性略有提高，但都不显著。
从图6可见：不同时效时间板材的微观组织的差别很小。因此，可以认为时效时间对部件的组织和性能影响不大，长时间时效的效果并不明显。
图5 时效时间对板材室温和高温力学性能的影响
Fig. 5 Effect of aging time on mechanical properties of alloy sheet at room and elevated temperatures
2.3 板材的超塑性性能
板材经990 ℃固溶处理+(815 ℃、30 min)时效后，其超塑性性能如图7所示。
从图7可见：该合金板材的伸长率随着拉伸温度的提高和拉伸速率的降低而提高。当拉伸温度 940~1 020 ℃，拉伸速率2×10-4~2×10-3 s-1板材具有超塑性(伸长率大于100%)。在1 020 ℃在2×10-4 s-1的拉伸速率下，1.9 mm合金板材的伸长率可达617%。该合金超塑性变形的有关机理有待进一步研究。
4 结论
1) 退火温度对板材的屈服强度影响较大，对抗拉强度影响较小，在4种退火温度下，抗拉强度的波动幅度仅几十MPa。塑性指标受退火温度影响则极为显著。
2) 900~950 ℃退火获得初生α2相、次生α2/O相集束、保留B2相组成的混合组织，随退火温度提高，次生α2/O相集束粗化，板材强度降低，塑性快速提高。1 000 ℃退火获得初生α2+ B2/O片状集束混合组织，板材塑性最好，伸长率达到21.4%。1 050 ℃退火获得魏氏组织，板材塑性急剧降低。
3) 随时效时间的增加，板材的室温和高温拉伸强度略有降低，塑性略有提高。该合金板材具有较好的超塑性性能，在1 020 ℃在2×10-4 s-1的应变速率下，1.9 mm合金板材的伸长率可以达到617%。
图6 不同时效时间下1.9 mm板材的微观组织
Fig. 6 Microstructures of 1.9 mm sheet at different aging time
图7 不同应变速率下板材的超塑性性能
Fig. 7 Superplasticity of sheet at different strain rates
REFERENCES
[1] BANERJEE D, GOGIA A K, NANDY T K. A new phase in Ti3Al based alloy with high content of niobium[J]. Acta Metall Mater, 1988, 36: 871-882.
[2] WU Y T, YANG C T, KOO C H, SINGH A K G. A study of texture and temperature dependence of mechanical properties in hot rolled Ti-25Al-xNb alloys[J]. Materials Chemistry and Physics, 2003, 80: 339-347.
[3] SUWAS S, RAY R K. Stability of roiling texture during heat treatment in a two-phase Ti3Al base intermetallic aloy[J]．Acta Materialia, 1999, 47(18): 4599-4614.
[4] WILLIAMS J C, STARKE E A. Progress in structural materials for aerospace systems[J]. Aeta Matefialia, 2003, 51: 5775-5799.
[5] ROWE R G. Tri-titanium aluminide alloys containing at least eighteen atom percent niobium: US 5032357[P]. 1991.
[6] 张建伟, 程云君, 梁晓波, 李世琼. (α2+O+B2)三相区温度变形的Ti3Al基合金板材组织和性能[J]. 稀有金属材料与工程, 2008, 37(增刊): 561-564.
ZHANG Jian-wei, CHENG Yun-jun, LIANG Xiao-bo, LI Shi-qiong. Study of the microstructure and properties of hot rolling sheets of Ti3Al based alloy processed in (α2+B2+O)phase field[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2008, (Supple 3): 561-564.
[7] 曹京霞, 段 锐, 李臻熙. 退火温度对Ti3Al合金热轧板材微观组织和室温拉伸性能的影响[J]. 稀有金属, 2009, 33(5): 746-749.
CAO Jing-xia, DUAN Rui, LI Zhen-xi. Efect of annealing temperature on microstructure and tensile properties of Ti3Al alloy hot-rolled sheets[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2009, 33(5): 746-749.
[8] GOGIA A K, BALIGIDAD R G, BANERJEE D. Toughening and creep in multiphase intermetallics through microstructural control[J]. Sadhana, 2003, 28(3/4): 677-693.
[9] 张建伟, 李世琼, 程云君, 梁晓波. Ti3Al基合金热轧板材组织与织构在退火中的演变[J]. 稀有金属材料与工程, 2005, 34(增刊3): 93-96.
ZHANG Jian-wei, LI Shi-qiong, CHENG Yun-jun, LIANG Xiao-bo. The evolutions of microstructure and texture of Ti3Al base alloy sheet during annealing[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2005, 34(Supple 3): 93-96.
(编辑 邓履翔)
收稿日期：2013-07-28；修订日期：2013-10-10
通信作者：郭佳林，硕士；电话：0917-3382252；E-mail：guojialin251@163.com
摘 要：研究热处理工艺对Ti3Al基合金热轧板材(1.9 mm×900 mm×3 000 mm)组织和性能的影响。结果表明：当板材在900~1 050 ℃退火时，退火温度对微观组织和室温塑性(δ5)影响较为明显，对室温强度的影响则较小；时效时间对板材的室温和高温性能影响不明显，同时固溶时效后的板材具有较好的超塑性，在条件为温度1 020 ℃、变形速率2×10-4 s-1时，其伸长率达到617%。
