TB8鈦合金晶粒長大行為的研究

周 偉，辛社偉，葛 鵬，李 倩，陳 軍

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

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TB8鈦合金晶粒長大行為的研究

周 偉，辛社偉，葛 鵬，李 倩，陳 軍

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

研究了TB8鈦合金冷軋板材在不同熱處理溫度和不同保溫時間下的晶粒長大行為。結果表明：TB8鈦合金冷軋板材在820～880 ℃的溫度范圍內不存在晶粒急劇粗化的現象，可以在此區間內的溫度下對其進行熱處理，保溫時間根據溫度的不同可在30～120 min范圍內選擇。此外，借助Beck方程和Arrhenius方程分別計算得到該合金的晶粒生長指數(n)為0.25～0.35，β晶粒長大激活能(Q)為273.23 kJ/mol。

TB8鈦合金；晶粒長大； 激活能；晶粒生長指數

0 引 言

TB8鈦合金(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si)是一種新型亞穩β型高強鈦合金，該合金具有優異的成形性、深的淬透性、良好的抗腐蝕能力，并且具有良好的焊接性能和高溫性能，是一種理想的航空結構材料[1-4]。

由于鈦合金的β晶粒尺寸對材料的強度、塑性、韌性和抗腐蝕性等性能有著至關重要的影響[5]，為此，研究了TB8鈦合金在不同熱處理溫度和保溫時間下的晶粒尺寸變化規律，以期為該合金熱處理工藝的優化提供理論依據。

1 實 驗

實驗選用厚度為3 mm的TB8鈦合金冷軋板材，化學成分(w/%)為：Mo 15.56，Nb 2.62，Al 2.74,Si 0.23，Fe 0.02，O 0.082，C 0.006，H 0.001，N 0.012，余量為Ti。其原始加工態顯微組織見圖1。

圖1 TB8鈦合金冷軋板材的原始加工態顯微組織Fig.1 Initial microstructure of cold-rolled TB8 titanium alloy plate

從板材上線切割切取尺寸為15 mm×15 mm的金相試樣。熱處理實驗在箱式電阻爐中進行，熱處理溫度為800～880 ℃，保溫時間為30～120 min。為了保留合金的高溫組織，用水淬的方式進行冷卻。采用OLYMPUS光學電子顯微鏡觀察顯微組織，晶粒尺寸用截線法測量。

2 結果與討論

2.1 顯微組織演變

圖2為TB8鈦合金冷軋板材試樣經過不同溫度、不同保溫時間處理后的顯微組織。一般情況下，β晶粒的長大分為再結晶形核和粗化兩個階段[6]。由圖2可見，800 ℃保溫30 min(圖2a)后，試樣再結晶不完全，正處于再結晶形核階段；820 ℃保溫30 min(圖2b)后，試樣已完全再結晶，且晶粒大小均勻，平均晶粒尺寸約為50 μm。進一步提高溫度，再結晶晶粒呈增大趨勢。例如，溫度為840、860、880 ℃(圖2c～e)時，平均晶粒尺寸分別增大了5、10、20 μm。雖然平均晶粒尺寸隨著加熱溫度的升高而增大，但是變化相對較小，這說明該合金在實驗溫度范圍內不存在晶粒急劇粗化的現象。由圖2還可以看出，相同的熱處理溫度，隨著保溫時間的增加，平均晶粒尺寸增大，但是增大趨勢漸緩。例如880 ℃保溫30、60、90、120 min(圖2e～h)時，平均晶粒尺寸分別為70、85、95、100 μm，這說明TB8鈦合金冷軋板材在高溫時具有較好的抗晶粒粗化能力。

圖2 TB8鈦合金冷軋板材經不同溫度、不同時間熱處理后的顯微組織Fig.2 Microstructures of cold-rolled TB8 titanium alloy plate at different heat treatments

圖3 TB8鈦合金冷軋板材平均晶粒尺寸隨保溫時間和熱處理溫度變化的曲線Fig.3 Variation of grain size of cold-rolled TB8 titanium alloy plate at various heat treatments

由圖3可以看出，保溫時間相同時，熱處理溫度越高，平均晶粒尺寸越大；熱處理溫度相同時，隨著保溫時間的延長，平均晶粒尺寸增大，但晶粒長大的速率漸緩。

2.2 晶粒長大規律

采用Beck方程[7]對TB8鈦合金冷軋板材的晶粒長大過程隨時間變化的動力學規律進行描述，其中，Beck方程如公式(1)所示。

(1)

對(1)式兩邊求對數得到公式(2)。

(2)

圖4 TB8鈦合金冷軋板材的關系曲線Fig.4 The curves of ln and lnt for cold-rolled TB8 titanium alloy plate

當保溫時間一定時，可以利用Arrhenius方程[8]描述TB8鈦合金冷軋板材熱處理溫度與晶粒長大的關系，其中Arrhenius方程如公式(3)所示。

(3)

式中，B為常數；Q為晶粒長大激活能，J/mol；R為氣體常數；T為絕對溫度，K。

對(3)式兩邊取對數得到公式(4)。

(4)

圖5 TB8鈦合金冷軋板材的關系曲線Fig.5 The curves of ln and 1/T for cold-rolled TB8 titanium alloy plate

由圖5可見，各條曲線近似平行,說明該合金晶粒長大激活能Q是唯一的。通過擬合直線的斜率得到實驗溫度范圍內TB8鈦合金冷軋板材晶粒長大激活能(Q≈273.23 kJ/mol)高于純鈦的β相自擴散激活能(Qβ=166 kJ/mol)[9]。這主要是由于固溶的Mo、Nb原子在晶界的釘扎作用抑制了晶粒的長大。

3 結 論

(1) TB8鈦合金冷軋板材在800～880 ℃范圍內不存在晶粒急劇粗化的現象，880 ℃時仍具有較好的抗晶粒粗化能力，因此該合金的熱處理溫度可在800～880 ℃，保溫時間根據溫度的不同可在30～120 min選擇。

(2)由于溶質原子對晶界移動的阻礙效應，使TB8鈦合金在820～880 ℃的熱處理溫度下的晶粒生長指數n=0.25～0.35，小于純鈦的晶粒生長指數。

(3)在820～880 ℃對TB8鈦合金進行熱處理，合金的β晶粒長大激活能為273.23 kJ/mol，其值高于純鈦的β相自擴散激活能，主要是由于固溶的Mo、Nb原子在晶界釘扎作用抑制了晶粒的長大。

[1]朱知壽，王慶如.TB8鈦合金板材冷成形工藝及其應用研究[J].金屬學報，2002,38(增刊l)：414-416.

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[3]周曉虎,馬文革,俞漢清，等. TB8超高強度鈦合金熱工藝參數研究[J]. 材料工程，2003(8)：37-39.

[4]張青，李萍，薛克敏．TB8合金再結晶組織的分形特征[J].材料研究與應用，2011,5(1)：31-34.

[5]于騰，王磊，趙永慶，等. 近β型高強鈦合金Ti-26的β晶粒長大行為[J]. 鄭州大學學報：工學版，2009,30(1)：6-9.

[6]馬英杰，劉建榮，雷家峰，等.鈦合金β晶粒生長規律及晶粒尺寸對損傷容限性能的影響[J]. 稀有金屬材料與工程，2009,38(6)：976-981.

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Research on Grain Growth Behavior of TB8 Titanium Alloy

Zhou Wei，Xin Shewei，Ge Peng，Li Qian，Chen Jun

(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016, China)

The grain growth behavior of TB8 titanium alloy plate was investigated under different heating temperature and holding time. The results show that the cold-rolled plate of TB8 titanium alloy can be heat treated in the range of 820 ℃ to 880 ℃. The grain rapid coarsening phenomenon does not exist in the above temperature range, and the holding time can be chosen in the range of 30 min to 120 min with different temperatures. Grain growth exponent (0.25～0.35) and grain growth activation (273.23 kJ/mol) are also calculated by Beck and Arrhenius equations.

TB8 titanium alloy; grain growth; activation energy; grain growth exponent

2014-06-19

陜西省科技統籌項目(2014KTCQ01-38)

周偉(1978—)，女，高級工程師。