简介概要

Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C合金的组织、性能及其变形机制

来源期刊：中国有色金属学报2003年第4期

论文作者：雷力明黄旭孙福生曹春晓 D. Rugg W. Voice

文章页码：939 - 943

关键词：阻燃钛合金；热暴露；微观组织；拉伸性能；变形机制

Key words：non-burning titanium alloy; thermal exposure; microstructure; tensile property; deformation mechanism

摘要：对Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C阻燃β钛合金的微观组织、拉伸性能和变形机制进行了研究。结果表明： (Ti, V)C和α相是β基体上的2种主要析出相；高温长期热暴露(540℃, 100h)后的合金晶界上形成连续的α膜，其塑性因此急剧下降；β基体在热暴露过程中发生微弱的短程有序化(SRO)转变，这在一定程度上破坏了合金的热稳定塑性；该合金室温变形以普通位错滑移为主要形变机制，热暴露后的变形结构中出现少量平面滑移带，位错的交滑移和攀移是合金540℃高温变形的重要形变机制。

Abstract: The microstructure, tensile properties and deformation mechanisms of non-burning β titanium alloy Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C (mass fraction, %) were investigated. The results show that, (Ti, V)C and α are two main precipitation phases in the β matrix of the alloy; after long-term exposure (540℃, 100h), the ductility of the alloy is decreased drastically, mainly due to a continuous α film formed at β grain boundaries; a low degree of short range ordering (SRO) of the β matrix occurs during long-term exposure at 540℃, which impairs the thermal stability of the alloy to a certain degree; the ordinary dislocation slip is the main mode of room plastic deformation of the alloy; a small number of planar slip bands appear in the deformation structure of the alloy after long-term exposure; dislocation cross-slip and climb are the important deformation modes of the alloy at 540℃.

中国有色金属学报 2003,(04),939-943 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2003.04.024

Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C合金的组织、性能及其变形机制

雷力明黄旭孙福生曹春晓 D.Rugg W.Voice

北京航空材料研究院钛合金研究室,北京航空材料研究院钛合金研究室,北京航空材料研究院钛合金研究室,北京航空材料研究院钛合金研究室,Rolls-RoycePlc,Rolls-RoycePlc 北京100095 ,北京100095 ,北京100095 ,北京100095 ,P.O.Box31,DerbyDE248BJ,UK ,P.O.Box31,DerbyDE248BJ,UK

摘要：

对Ti 25V 15Cr 2Al 0.2C阻燃β钛合金的微观组织、拉伸性能和变形机制进行了研究。结果表明:(Ti,V)C和α相是β基体上的2种主要析出相;高温长期热暴露(540℃,100h)后的合金晶界上形成连续的α膜,其塑性因此急剧下降;β基体在热暴露过程中发生微弱的短程有序化(SRO)转变,这在一定程度上破坏了合金的热稳定塑性;该合金室温变形以普通位错滑移为主要形变机制,热暴露后的变形结构中出现少量平面滑移带,位错的交滑移和攀移是合金540℃高温变形的重要形变机制。

关键词：

阻燃钛合金;热暴露;微观组织;拉伸性能;变形机制;

中图分类号： TG146.23

作者简介：雷力明(1976),男,硕士.;黄　旭,博士;北京市81信箱15分箱,100095;电话:01062458116;Email:xu.huang@biam.ac.cn;

收稿日期：2002-09-02

Microstructure, tensile properties and deformation mechanisms of Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C alloy

Abstract：

The microstructure, tensile properties and deformation mechanisms of nonburning β titanium alloy Ti25V15Cr2Al0.2C (mass fraction, %) were investigated. The results show that, (Ti, V)C and α are two main precipitation phases in the β matrix of the alloy; after longterm exposure (540 ℃, 100 h), the ductility of the alloy is decreased drastically, mainly due to a continuous α film formed at β grain boundaries; a low degree of short range ordering (SRO) of the β matrix occurs during longterm exposure at 540 ℃, which impairs the thermal stability of the alloy to a certain degree; the ordinary dislocation slip is the main mode of room plastic deformation of the alloy; a small number of planar slip bands appear in the deformation structure of the alloy after longterm exposure; dislocation crossslip and climb are the important deformation modes of the alloy at 540 ℃.

Keyword：

non-burning titanium alloy; thermal exposure; microstructure; tensile property; deformation mechanism;

Received： 2002-09-02

钛及钛合金因密度低、比强度高、耐蚀性能好等优点, 被广泛应用于许多工业领域, 尤其在航空工业中的应用范围及数量日益增长。然而, 在某些特殊环境下, 如在高性能航空发动机的高温、高压气流环境中, 常规钛合金容易被点燃而发生持续燃烧, 从而限制了其在先进航空发动机中的应用。美国在20世纪90年代初研制成功一种β稳定元素超过25%(质量分数, 下同)的高稳定β型钛合金—Alloy C(名义成分Ti-35V-15Cr) ^[1,2] , 该合金具有良好的阻燃性能, 已被应用到先进的第4代战斗机F22的F119发动机上 ^[3,4] 。近几年, 英国伯明翰大学IRC中心和Rolls-Royce发动机公司合作开展了对Ti-V-Cr-Al系低成本阻燃β钛合金的研究 ^{[5,6,7,8,9,10]} 。其中, 名义成分为Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C的合金是这类合金中最具有代表性的一种。作者对该合金的微观组织、拉伸性能和变形机制进行了初步的研究。

1 实验

实验用Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C合金由中间合金和纯元素材料经3次真空自耗电弧熔炼(VAR)制成15 kg铸锭, 经过开坯锻造, 最后轧制为d 18.5 mm的棒材。合金的化学成分见表1。

轧制棒材依照伯明翰大学IRC中心和Rolls-Royce公司提供的一种热处理工艺进行, 即先经过固溶处理(1 050 ℃, 保温0.5 h, 空冷), 然后在700 ℃进行时效(保温4 h, 空冷)。为研究合金的热稳定性能, 将光滑拉伸试样在540 ℃(该合金期待使用温度)进行100 h的热暴露实验。

采用标距尺寸为d 5 mm×25 mm的圆形试样进行室温和高温拉伸实验, 拉伸时的应变速率为2×10^-3 s^-1。所有用于组织观察的试样均经过化学腐蚀, 腐蚀剂化学成分(体积分数)为: 5%HF+10%HNO₃+85%H₂O。在JSM-5600LV型扫描电子显微镜上进行微观组织和拉伸断口形貌观察; 在JEOL 200CX或HITACHI H-800型透射电镜上进行TEM观察; 用日本理学RIGAKU D/MAX-2400 X射线衍射仪进行物相分析。 TEM试样先用机械方法减薄至40～50 μm, 然后电解双喷至穿孔, 双喷液化学成分(体积分数)为: 6%高氯酸+34%正丁醇+60%甲醇。双喷时用液氮冷却电解液, 温度控制在-30 ℃左右, 工作电压为45～50 V。

2 结果与讨论

2.1热处理和热暴露组织

图1所示为合金经固溶处理(1 050 ℃, 保温0.5 h, 空冷)和时效处理(700 ℃, 保温4 h, 空冷)后的微观组织。根据先前的研究结果知道 ^[11] , 在β基体上分布的球形或短棒状颗粒为碳化物(直径为2～10 μm), 其化学式为(Ti, V)C。除了这些较大的颗粒外, 在晶界和晶内还能看到少量的细小麻点状α相沉淀(图中的白色斑点, 尺寸小于1 μm)。 X射线衍射分析也证实了合金中的相组成(见图2)。

图3所示为热处理后的合金在540 ℃高温热暴露100 h后的微观组织。与图1相比, α相在晶内和晶界的析出数量进一步增加, 特别是在优先形核、长大的晶界上形成了连续粗化的α膜, 它的存在破坏了晶界连续性, 对合金塑性将产生非常有害的影响。

对上述组织的TEM分析发现, β基体在高温长期热暴露过程中发生了微弱的有序化转变。图4所示为热暴露后的合金基体[110]带轴衍射花样。在透射斑和{200}衍射斑点之间出现了微弱的超衍射。实验合金中含有的少量Al元素是促使β基体发生短程有序转变的重要因素 ^[6] , 这个过程是由缓慢的原子扩散控制的, 因而只有在高温长时间时效时才会有少量这种转变发生。

2.2 拉伸性能

表2所示为实验合金在不同条件下的拉伸性能比较。可以看出, 该合金具有良好的室温和540 ℃高温拉伸塑性, 然而在540 ℃热暴露100 h后, 其塑性显著降低, 特别是断面收缩率ψ的值仅为热暴露前的1/4。

图5所示为Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C合金的拉伸断口形貌。室温拉伸试样以韧性断裂为主, 断口上除韧窝外还能看到一些二次沿晶裂纹, 表明有一部分沿晶断裂发生(图5(a))。从图5(b)可以看到, 高温长时间热暴露后试样的拉伸断口呈典型的脆性沿晶断裂特征。断口分析进一步说明晶界上析出的连续α膜急剧降低了合金的热稳定塑性。

2.3 变形机制

一般情况下, 体心立方金属或合金的变形主要为位错滑移或{112}〈111〉孪生。已有研究表明, 在β稳定元素含量较少的亚稳定β合金中变形机制一般为{332}〈113〉孪生 ^[12] , 而在β稳定元素含量较高的合金中变形主要为位错滑移或{112}〈111〉孪生 ^[13] 。本研究中发现, Mo约为39%的实验合金室温变形主要为普通位错滑移(图6(a)), 尚未观察到孪生现象。对540 ℃热暴露100 h后合金的拉伸变形结构分析发现: 除普通滑移位错外, 还出现了少量的平面滑移带, 即所谓的位错对滑移(图6(b)), 这种特殊的位错组态是短程或长程有序合金变形结构中经常可以看到的 ^[14] 。文献 [ 7] 对含Al大于3%的Ti-V-Cr合金的研究也证实了存在1/2〈111〉类型的位错对。可见, 合金基体在热暴露过程中发生短程有序化转变是导致室温变形出现位错对滑移的直接原因。位错对只能在同一平面内进行滑移运动, 合金塑性因此而降低, 这表明短程有序化转变也是影响实验合金热暴露后塑性急剧下降的因素之一。

合金在高温下的变形是一个热激活的形变过程。在合金540 ℃高温变形结构中观察到很多交叉滑移带(图6(c)), 表明位错交滑移是合金高温时的重要形变机制之一。从图6(d)可以看到, 高温变形时位错容易发生交滑移甚至可能是攀移运动而变成波浪状, 这些高密度的波浪状位错(W)和位错环(L)交互作用在一起。