文章编号：1004-0609(2010)S1-s0001-05

Ti-10Cr合金析出相对硬度的影响

冯  亮，葛  鹏，杨  义，周  伟

(西北有色金属研究院 钛合金研究所，西安 710016)

摘  要：测试Ti-10Cr合金经900 ℃固溶及400~700 ℃时效后的维氏硬度，采用XRD和TEM分析析出相的成分及形貌，研究硬度、析出相特征与热处理制度之间的关系。结果表明：经900 ℃固溶空冷后，析出相为细小、弥散的等轴ω相和少量α相，合金硬度达到HV560；经400 ℃时效后，ω相和α相长大，合金硬度值稍有下降；经500 ℃时效后，ω相消失，α相长大为片状，合金硬度明显降低；当继续升高时效温度时，片状α相会进一步长大，合金的硬度缓慢降低。

关键词：Ti-10Cr合金；析出相；相形貌；维氏硬度

中图分类号：TG111.5　　     文献标志码：A

Influence of precipitated phase on hardness of Ti-10Cr alloy

FENG Liang, GE Peng, YANG Yi, ZHOU Wei

(Titanium Alloy Research Center, Northwester Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016, China)

Abstract: The Vickers-hardness of Ti-10Cr alloy was tested after being solution treated at 900 ℃ as well as following by aging treatment at 400-700 ℃. The precipitated phases and their morphologies during solution and aging were analyzed by XRD and TEM. Furthermore, the relationships among hardness, phase precipitation and heat treatment were discussed. The results indicate that the fine dispersion isothermal ω phase and few α phase form in the metastable beta matrix after solution treatment at 900 ℃ following by air cold. Under this condition, the hardness reaches HV560. ω phase and α phase grow after aging at 400 ℃, and the hardness shows a little decrease. ω phase is decomposed and α phase becomes lamella after aging at 500 ℃, and the hardness value of the alloy deceases remarkable. After that, with the increase of aging temperature, the hardness decreases slowly due to the α phase growth.

Key words: Ti-10Cr alloy; precipitated phase; morphology; Vickers-hardness

金属铬具有较高的熔点，是难熔金属中唯一在空气和其他气体中具有抗高温氧化性、抗腐蚀性能的元素。Cr元素能强烈降低钛合金的马氏体转变温度，稳定β相，是亚稳定β钛合金的重要合金元素。在钛合金中加入Cr，既可提高合金的室温拉伸强度和塑  性，又可保证合金具有较好的热处理强化效应，还能够使合金的高温抗氧化能力和抗自燃能力得到明显的提高^[1-4]。目前，关于Ti-Cr合金的研究主要集中在抗氧化性和阻燃性^[1-4]、高耐磨性及生物相容性^[5-7]、TiCr₂相的特性^[8-9]、储氢性能^[10-11]以及Cr含量对力学性能的影响^[12]等方面，有关热处理与析出相特征及机械性能之间关系的研究相对较少。

钛合金的特征是相组成的多样性。在金属学研究中，应用最广的就是相分析法。硬度是衡量合金性能的指标之一，与其它力学性能之间存在一定的联    系^[14-15]，硬度与合金相成分、类型、尺寸及数量密切相关。本文作者对Ti-10Cr合金进行固溶及固溶时效处理，研究析出相对合金硬度的影响。

1  实验

本实验选用0级海绵钛和纯度大于99.99%的纯Cr颗粒，在真空自耗电弧熔炼炉内经3次熔炼，制备出d115 mm×330 mm铸锭。采用淬火金相法对Ti-10Cr合金的相变点进行测试，其相变点为780~790 ℃。铸锭在1 100 ℃开坯，经850 ℃锻造及轧制，制成d12 mm的棒材，然后将棒材线切割成d12 mm×15 mm的试样，使用SX^­­-5-12型箱式电阻炉对试样进行热处理，热处理工艺见表1。

采用D/max2400型X射线衍射仪(XRD)对热处理试样的相组成进行分析，析出相特征的观察在JEM-200CX透射电镜(TEM)上进行，维氏硬度的测试采用450SVD硬度仪，试验载荷为98 N，保压30 s，每个试样测3点，取其平均值作为该试样的硬度值。

表1  试验材料的热处理制度

Table 1  Heat treatment program for Ti-10Cr alloy

2  结果与讨论

2.1  热处理温度对合金硬度的影响

图1所示为热处理温度对Ti-10Cr合金维氏硬度的影响。由图1可见，Ti-10Cr合金经900 ℃固溶、空冷处理后，具有较高的硬度，达到了HV560，随后的时效处理使得合金的硬度下降；经400 ℃时效后，合金硬度稍有降低；经500 ℃时效后，合金硬度下降较快；随着时效温度的继续升高，硬度值下降趋势逐渐减缓，最后保持在HV300左右。

压痕法硬度值表征材料抗塑性变形的能力^[15]。影响材料硬度的主要因素有成分、相组成、显微组织和冷变形等。本实验中试样的化学成分和加工工艺相同，因此硬度差异应归结为不同温度热处理引起合金的析出相组成、形貌和尺寸的差别。

图1  热处理温度对Ti-10Cr合金硬度的影响

Fig.1  Effect of heat treatment temperature on hardness of Ti-10Cr alloy

2.2  热处理温度对析出相组成和特征的影响

对时效前、后的Ti-10Cr合金进行XRD分析(见图2)及TEM观察(见图3~6)，以研究析出相的组成和形貌特征。XRD分析结果表明，合金经900 ℃固溶、空冷处理后，析出相主要由亚稳β相和淬火ω相(见图2(a))组成，ω相呈细小、弥散的等轴状颗粒状，不均匀地分布于亚稳β基体，直径约为10 nm(见图3(a))。选区电子衍射表明，合金中还存在α相，由其微弱的衍射斑点可知，α相的含量非常少(见图3(b))。经400 ℃时效后，ω相和α相含量均增多(见图2(b))，并且发生了长大，ω相为直径约40 nm的等轴状颗粒，α相为直径约30 nm的等轴状颗粒(见图4)。经500℃时效后，ω相消失，α相含量进一步增多(见图2(c))，部分等轴状α相长大至约80 nm，并且出现了部分50 nm×200 nm的片层α相(见图5)。当继续升高时效温度时，合金的相组成不再发生变化(见图2(d)和(e))，但片状α相会进一步长大。经600 ℃和700 ℃时效后，α相片层厚度分别在170 nm和270 nm左右(见图6)。

图2  不同热处理状态下Ti-10Cr合金的XRD谱

Fig.2  XRD patterns of Ti-10Cr alloys after different heat treatments: (a) Sample 0; (b) Sample 1; (c) Sample 2;       (d) Sample 3; (e) Sample 4

2.3  析出相特征对硬度的影响

由以上的分析结果可知，时效温度的升高导致合金析出相的组成和形貌发生变化，这种变化引起了合金硬度的差异。

Ti-10Cr合金在900 ℃固溶后，空冷过程中β相部分发生了分解，析出了非常细小、弥散的ω相和少量α相，ω相与β相之间具有共格关系，硬而且脆，位错不能在其中移动，使得合金具有非常高的硬度^[16]。经400 ℃时效时，Cr元素发生了局部再分布，这种再分布促进了合金中的β→ω和β→α相变^[17-18]。时效后，合金的相组成并没有本质的改变，仍由β相、ω相和α相组成，只是合金中ω相和α相含量有所增多并发生了长大，这造成了二者强化作用的下降，但是由于ω相的增多，合金的硬度并没有大幅下降。经500 ℃时效后，具有强烈强化作用的ω相完全转变为α相，由于α相的强化效果远小于ω相的，且α相进一步长大，导致合金的硬度迅速下降。当继续升高时效温度时，合金的相组成本质上并没有发生变化，尽管α相的含量有所增加，但是α片层发生了长大，使得α相的强化作用进一步下降，造成合金的硬度继续降低。

图3  样品0选区的电子衍射花样及ω相暗场形貌

Fig.3  Selected-area diffraction pattern of sample 0 (a) and dark field image of ω phase (b)

图4  样品1选区的电子衍射花样及ω相和α相的暗场形貌

Fig.4  Selected-area diffraction patterns of sample 1 ((a), (b)) and dark field images of ω phase (c) and α phase (d)

图5  样品2选区的电子衍射花样及明场形貌

Fig.5  Selected-area diffraction pattern of sample 2 (a) and bright field image (b)

图6  样品3和样品4的明场形貌

Fig.6  Bright field images of sample 3 (a) and sample 4 (b)

尽管合金中的Cr含量达到了10%，但是在所研究的5个样品中，均未发现TiCr₂相。Cr是一种慢共析型β稳定元素，从Ti-Cr相图可知^[19]，在667 ℃附近存在共析点，当温度降至该温度以下时，发生共析反应，平衡状态下应析出共析反应产物——金属间化合物TiCr₂相。文献[20]表明，Ti-4.5Cr合金在550 ℃保温100 h才会析出TiCr₂相，Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C合金在540 ℃热暴露100 h出现TiCr₂相^[21]。在同一合金系中，β稳定元素含量越高的合金，共析反应速度越慢，所以，本试验中试样在400 ℃下保温4 h，没有出现平衡相图所示的TiCr₂相是可以理解的。KOIKE等^[5]及HSU等^[6]在对TiCr合金的研究中亦未观察到TiCr₂相。TiCr₂相是一种高熔点、高硬度的金属间化合物，它的析出必然使合金的硬度提高，因400 ℃时效后未析出TiCr₂相，故硬度值没有提高。

3  结论

1) Ti-10Cr合金经900 ℃，1 h，空冷处理后，其相组成主要为亚稳β相、淬火ω相和极少量α相，硬度达到最大值，为HV560。

2) Ti-10Cr合金的硬度随着时效温度的升高呈现下降趋势，这主要是由ω相的数量变化及α相的析出和长大引起的。

3) 在本实验中，未发现共析产物TiCr₂相。

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(编辑 杨 华)

基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2007CB613805)；国家科技支撑计划资助项目(2007BAE07B03)

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