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稀有金属 2017,41(09),1056-1060 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy16090012
冷却速度对TB17合金组织及硬度的影响
费跃 王新南 商国强 李静 祝力伟 朱知寿
北京航空材料研究院先进钛合金航空科技重点实验室
摘 要:
采用X射线衍射仪 (XRD) 、金相显微镜 (OM) 、扫描电镜 (SEM) 、透射电子显微镜 (TEM) 和维氏硬度计, 开展了新型超高强度TB17钛合金在β单相区固溶处理后, 110℃·min-1冷却速度对合金显微组织和显微硬度影响规律的研究。结果表明:TB17钛合金冷却过程中发生了β→α+β转变, 当冷却速度为1和3℃·min-1时, 组织为典型的片层组织。当冷却速度增加到10℃·min-1时, α相的析出量明显减少, 沿着晶界析出大量相互平行的针状α相, 晶内存在少量的相互交叉的针状α相。并且随着冷却速度从1℃·min-1增加到10℃·min-1, α相析出量、α片层厚度、晶界α厚度均减小。其中, α相析出量由48%减少到5%, α片层平均厚度由0.7μm减小到0.05μm, 晶界α平均厚度由1.9μm减小到0.5μm。冷却速度对TB17钛合金显微硬度具有重要影响, 在15℃·min-1冷却速度下, 显微硬度随着冷却速度的增加逐渐升高;在510℃·min-1冷却速度下, 显微硬度随着冷却速度的增加逐渐降低。
关键词:
TB17合金;冷却速度;显微组织;显微硬度;
中图分类号: TG146.23;TG166.5
作者简介:费跃 (1985-) , 女, 辽宁锦州人, 硕士, 工程师, 研究方向:钛合金的研究与开发;E-mail:aaafeiyue@163.com;;王新南, 高级工程师;电话:010-62496635;E-mail:nansmily@126.com;
收稿日期:2016-09-06
基金:装备预先研究项目 (51312JQ01) 资助;
Microstructure Evolution and Hardness of TB17 Alloy at Different Cooling Rates
Fei Yue Wang Xinnan Shang Guoqiang Li Jing Zhu Liwei Zhu Zhishou
Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Titanium Alloys, Beijing Institute of Aeronautical Materials
Abstract:
The influence of 1 ~ 10 ℃·min-1 cooling rates on microstructure and microhardness of a new ultra-high strength TB17 alloy after solution treatment in the β phase field was studied using X-ray diffraction ( XRD) , optical microscope ( OM) , scanning electron microscope ( SEM) , transmission electron microscope ( TEM) and vickers hardness tester. The results showed that β→α + β phase transformation occurred during cooling. The microstructure was a typical lamellar structure when the cooling rates ranged from 1 to 3 ℃·min-1, . While the cooling rate increased to 10 ℃·min-1, a lot of acicular α phases precipitated along with the grain boundary and a few acicular α phases precipitated on the grain interior intersected with each other. With increasing cooling rates, α phase content, α lamellar thickness and α phase thickness in the grain boundary decreased. The α phase content decreased from 48% to 5%, and theα lamellar thickness decreased from 0. 7 to 0. 05 μm, and the α phase thickness in the grain boundary decreased from 1. 9 to 0. 5 μm.The cooling rate had a significant influence on the microhardness of TB17 titanium alloy. The microhardness increased with cooling rates increasing from 1 to 5 ℃·min-1, and then decreased from 5 to 10 ℃·min-1.
Keyword:
TB17 alloy; cooling rate; microstructure; microhardness;
Received: 2016-09-06
TB17钛合金是由北京航空材料研究院自主研发的一种新型Ti-Al-Mo-Nb-Sn-Cr-Zr-V系近β型钛合金, 该合金是一种同时满足超高强度和高韧性等良好综合性能匹配的钛合金。该合金经固溶时效热处理后, 抗拉强度可达到1350 MPa以上, 延伸率可达到6%, 断裂韧性达到50 MPa以上, 在航空、航天、兵器、民用等领域具有广阔的应用前景。
对于近β型钛合金, 可以通过调整固溶和时效工艺参数, 获得不同的显微组织, 改变合金的力学性能[1,2,3,4,5]。除了固溶温度、时效温度、固溶时间和时效时间对该类合金的组织特征影响明显以外, 固溶后的冷却速度也是影响该类合金的重要工艺参数之一, 可以改变合金的相组成、α相的片层厚度及分布, 使得合金的性能发生改变[6,7,8,9]。因此, 本文系统研究了TB17合金在β单相区固溶处理后, 不同冷却速度对合金组织及硬度的影响规律, 从而为合金热处理工艺的制定提供可靠的理论和试验依据。
1 实验
试验所用原材料为TB17钛合金锻件, 在锻件上切取Φ3 mm×10 mm的圆柱状试样进行热膨胀试验。热膨胀试验采用L78型淬火式热膨胀仪, 以300℃·min-1的加热速度加热到930℃, 保温15min, 使组织全部为β相后, 分别以1, 3, 5, 7, 10℃·min-1的冷却速度冷却到室温。
采用D/max 2500型X射线衍射仪 (XRD) 对试样进行相结构分析;采用LEICA DMI3000 M型光学显微镜 (OM) 、Tescan mira3 LMH型扫描电子显微镜 (SEM) 和JEM-2100F透射电镜 (TEM) 观察该合金不同冷却速度下的显微组织;采用FM-ARS9000维氏硬度计进行硬度测试。
2 结果与讨论
2.1 冷却速度对合金相组成的影响
图1是TB17合金经过930℃固溶热处理15 min后以不同冷却速度冷却到室温所获得试样的XRD图谱。可以看出, 冷却速度为1~10℃·min-1时, 合金的相组成相同, 为α相和β相, 说明冷却过程中, 发生了β→α+β转变。
2.2 冷却速度对合金显微组织的影响
图2是TB17合金经过930℃保温15 min后, 以不同冷却速度冷却到室温所获得的显微组织。可以看出, 合金显微组织特征随着冷却速度的改变发生了规律性的变化。当冷却速度为1和3℃·min-1时, 如图2 (a~d) 所示, 组织为典型的片层组织, 晶界处和晶内析出大量的片层α相;当冷却速度为5和7℃·min-1时, 如图2 (e~h) 所示, 晶内大部分片层α相交叉分布;当冷却速度增加到10℃·min-1时, 如图2 (i, j) 所示, 沿着晶界析出大量相互平行的针状α相, 晶内析出少量的针状α相交叉分布, TEM分析发现, 如图3所示, 晶界处析出的平行α相交叉分布着更加细小的α相。说明在10℃·min-1的冷却速度下, α相更易于在β晶界处形核, 并向晶粒内生长, 形成相互平行的针状α相;随着冷却速率的降低, β晶粒内出现大量α相的形核与长大。
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图1 不同冷却速度冷却后TB17合金的XRD图谱Fig.1 XRD patterns of TB17 alloy at different cooling rates
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图2 不同冷却速度冷却后TB17合金的显微组织Fig.2 Microstructures of TB17 alloy at different cooling rates
(a, b) 1℃·min-1; (c, d) 3℃·min-1; (e, f) 5℃·min-1; (g, h) 7℃·min-1; (i, j) 10℃·min-1
2.3 冷却速度对合金硬度的影响
冷却速度对合金显微硬度的影响规律如图4所示。从图4中可以看出, 冷却速度在1~10℃·min-1范围内时, 合金显微硬度随着冷却速度的增加, 先升高后降低。
2.4 讨论
研究了TB17合金在β单相区以1, 3, 5, 7, 10℃·min-1的冷却速度冷却到室温的显微组织变化规律。冷却速度对TB17合金α相析出量、α片层厚度、晶界α厚度的具体影响规律如图5~7所示。从图中可以看出, 当冷却速度从1℃·min-1增加到5℃·min-1时, α相析出量由48%减少到25%, α片层平均厚度由0.7μm减小到0.2μm, 随着冷却速度增加到7和10℃·min-1, α相析出量分别为20%和5%, α片层厚度变化趋缓, 平均厚度分别为0.15和0.05μm。而晶界α厚度在冷却速度从1℃·min-1增加到3℃·min-1时, 变化明显, 平均厚度由1.9μm减小到0.8μm, 随着继续增加冷却速度, 晶界α厚度变化幅度趋缓。综上所示, TB17钛合金随着冷却速度从1℃·min-1增加到10℃·min-1, 合金α相析出量、α片层厚度、晶界α厚度均减小。这是因为α相的长大是由扩散控制的[10,11], 随着冷却速度的增加, 冷却到室温所需时间越短, 那么, α相的长大就越不充分, 使得α相析出量、α片层厚度、晶界α厚度均减小。
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图3 以10℃·min-1冷却速度冷却后TB17合金的透射照片Fig.3TEM images of TB17 alloy at cooling rate of 10℃·min-1
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图4 不同冷却速度冷却后TB17合金的显微硬度Fig.4 Microhardness of TB17 alloy after different cooling rates
TB17钛合金在不同冷却速度下显微组织的变化必将导致合金性能发生改变。根据相关文献[12-15]介绍, α相的析出量和形态影响钛合金的显微硬度, 显微硬度随着α相析出量的增加和片层厚度的减小而升高。对于TB17合金, 当冷却速度从1℃·min-1逐渐增加到5℃·min-1时, α相析出量由48%逐渐减少到25%, 使得合金硬度降低, 但同时α片层平均厚度由0.7μm减小到0.2μm, 片层厚度减小明显, 使得合金硬度显著升高, 两者相互所用, α相片层厚度变化对显微硬度的影响起主导作用, 使得TB17合金在1~5℃·min-1冷却速度下, 显微硬度随着冷却速度的增加逐渐升高。当冷却速度从5℃·min-1增加到10℃·min-1时, α相析出量由25%减少到5%, 使得合金硬度降低, α片层平均厚度由0.2μm减小到0.05μm, 片层厚度变化较小, 使得合金硬度升高幅度不大, 两者相互所用, α相析出量变化对显微硬度的影响起主导作用, 使得TB17合金在5~10℃·min-1冷却速度下, 显微硬度随着冷却速度的增加逐渐降低。
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图5 冷却速度对TB17合金α相体积分数影响曲线Fig.5Effect of cooling rates onαphase volume fraction of TB17 alloy
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图6 冷却速度对TB17合金α片层厚度影响曲线Fig.6Effect of cooling rates onαlamellar thickness of TB17 alloy
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图7 冷却速度对TB17合金晶界α相厚度影响曲线Fig.7Effect of cooling rates onαphase thickness in grain boundary of TB17 alloy
3 结论
1.TB17合金在冷却速度为1~10℃·min-1下, 发生了β→α+β转变。当冷却速度为1和3℃·min-1时, 组织为典型的片层组织。当冷却速度为10℃·min-1时, α相的析出量明显减少, 并且沿着晶界析出大量相互平行的针状α相, 晶内存在少量的相互交叉的针状α相。
2.随着冷却速度从1℃·min-1增加到10℃·min-1, TB17合金α相析出量、α集束大小、α片层厚度、晶界α厚度均减小。当冷却速度从1℃·min-1增加到5℃·min-1时, α相析出量由48%减少到25%, α片层平均厚度由0.7μm减小到0.2μm, 随着冷却速度增加到7和10℃·min-1, α相析出量分别为20%和5%, α片层厚度变化趋缓, 平均厚度分别为0.15和0.05μm。而晶界α厚度在冷却速度从1℃·min-1增加到3℃·min-1时, 变化明显, 平均厚度由1.9μm减小到0.8μm, 随着继续增加冷却速度, 晶界α厚度变化幅度趋缓。
3. TB17合金在1~5℃·min-1冷却速度下, 显微硬度随着冷却速度的增加逐渐升高, α相片层厚度变化对显微硬度的影响起主导作用;在5~10℃·min-1冷却速度下, 显微硬度随着冷却速度的增加逐渐降低, α相析出量变化对显微硬度的影响起主导作用。
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