熱處理對B2相區等溫鍛造Ti-22Al-25Nb合金組織和性能的影響

董志國，李 冬，曾衛東，王 偉，梁曉波

(1．中國航發沈陽發動機研究所，遼寧 沈陽 110015)(2．西北工業大學 凝固技術國家重點實驗室，陜西 西安 710072)(3．鋼鐵研究總院，北京 100081)

0 引 言

Ti2AlNb基合金具有比強度較高、密度較低、斷裂韌性好、抗氧化性優異以及熱膨脹系數低等特點[1]，是可以在650～800 ℃長時間或更高溫度短時間使用的極具潛力的合金體系，在航空航天領域具有廣闊的應用前景[2]。

Ti2AlNb基合金的顯微組織對熱機械加工工藝參數非常敏感，如鍛造溫度、變形量、冷卻方式、熱處理制度等都會在一定程度上改變合金的顯微組織，進而影響其性能。因此，國內外學者在Ti2AlNb基合金熱機械加工工藝參數與顯微組織、力學性能關系方面開展了大量的研究工作[3-8]。

眾所周知，Ti2AlNb基合金在α2+B2兩相區或α2+B2+O三相區鍛造或軋制后，得到的是等軸組織或雙態組織，室溫強度和塑性可以達到良好匹配[3-4]。鋼鐵研究總院和西北工業大學共同提出了在B2相區等溫鍛造的新工藝，通過該工藝可以使Ti2AlNb基合金獲得板條組織。該組織在保持合金良好的室溫強度和塑性的基礎上，可同時提高合金的高溫蠕變性能和斷裂韌性[8]。

本研究以B2單相區等溫鍛造的Ti-22Al-25Nb合金為研究對象，探討固溶加時效處理對其顯微組織演變和力學性能的影響，以期獲得使Ti-22Al-25Nb合金室溫拉伸強度和塑性綜合匹配良好的O相板條組織。

1 實 驗

實驗用Ti-22Al-25Nb合金鑄錠經三次真空自耗電弧熔煉而成，其化學成分見表1。將鑄錠首先在B2單相區進行分步降溫開坯鍛造，之后在α2+B2+O三相區改鍛成φ150 mm的棒材。在棒材上截取φ150 mm×150 mm的圓柱，再在B2單相區等溫鍛造成餅坯，變形量為50%。沿餅坯弦向切取熱處理試樣，在O+B2相區進行固溶加時效處理，具體制度為：900 ℃×1 h/WC+800 ℃×12 h/FC(編號HT-1)以及960 ℃×1 h/WC+800 ℃×12 h/FC(編號HT-2)。

表1 Ti-22Al-25Nb合金鑄錠的化學成分(原子分數/%)Table 1 Chemical composition of Ti-22Al-25Nb alloy ingot

按照國家標準將熱處理后的Ti-22Al-25Nb合金制備成12 mm×5 mm的標準拉伸試樣和所需的金相試樣。每種熱處理條件取3個試樣，實驗結果取平均值。采用Instron 1196拉伸試驗機進行力學性能測試；采用掃描電子顯微鏡(SEM)附帶背散射(BSD)進行微觀組織分析。

2 結果與分析

2.1 熱處理對Ti-22Al-25Nb合金顯微組織影響

等溫鍛造是獲得理想顯微組織的重要手段之一。圖1a為Ti-22Al-25Nb合金棒材在B2相區等溫鍛造前后的顯微組織。由圖1a可見，鍛造前Ti-22Al-25Nb合金棒材為典型的雙態組織，主要由黑色的等軸α2相、包裹等軸α2相的灰色環狀O相、灰色的細板狀O相和白色的B2基體組成。經過B2單相區等溫鍛造后，主要由灰色的板條狀O相、B2基體，以及極少的片層狀α2相組成(圖1b)。與等溫鍛造前的原始棒材組織相比，等軸α2相、包裹等軸α2相的環狀O相在B2相區加熱過程中溶入B2基體，B2相晶粒尺寸明顯增大，在等溫鍛造后緩慢空冷的過程中析出較粗的板條O相和少量的片層α2相。

圖1 Ti-22Al-25Nb合金棒材在B2相區等溫鍛造前后的顯微組織 Fig.1 Microstructures of Ti-22Al-25Nb alloy bars before(a) and after(b) isothermal forging at B2-phase region

B2單相區等溫鍛造Ti-22Al-25Nb合金經不同熱處理制度處理后的金相照片見圖2。固溶處理溫度不同，Ti-22Al-25Nb合金O相粗板條的形態和含量均發生了明顯變化。當固溶溫度較低(900 ℃)時，O相板條相對較細較長，含量較多，時效析出的二次O相針狀板條數量較少(圖2a)；當固溶溫度較高(960 ℃)時，部分O相粗板條發生溶解，逐漸變短變粗呈現球化趨勢，O相體積分數逐漸減小，B2相體積分數增大，時效析出的二次O相針狀板條數量增加(圖2b)。因此，固溶溫度是影響一次板條O相形貌和尺寸的主要因素。隨著固溶溫度的升高，一次板條O相逐漸變短變粗呈現球化趨勢，且體積分數逐漸減小。在之后的時效過程中，析出的二次針狀板條O相數量增加。

圖2 等溫鍛造Ti-22Al-25Nb合金經不同熱處理制度處理后的顯微組織Fig.2 Microstructures of isothermally forged Ti-22Al-25Nb alloy after different heat treatments:(a)HT-1;(b)HT-2

2.2 熱處理對Ti-22Al-25Nb合金室溫拉伸性能影響

B2單相區等溫鍛造Ti-22Al-25Nb合金經不同固溶加時效處理后的室溫拉伸性能見表2。從表2可以看出，隨著固溶溫度的升高，Ti-22Al-25Nb合金的強度提高，塑性略有增加，其中，抗拉強度增加幅度較大，增大了24 MPa，屈服強度增加幅度較小，增大了11 MPa。Ti-22Al-25Nb合金的室溫拉伸性能之所以存在這種變化趨勢，與固溶加時效過程中的顯微組織變化有關。隨著固溶溫度的升高，一次板條O相的體積分數明顯減少，B2相體積分數增加，在相同的時效溫度下，固溶溫度高的Ti-22Al-25Nb合金會析出更多的二次針狀板條O相，這些細小的板條O相可以起到彌散強化的效果[7]，從而使合金的強度提高。

表2 不同熱處理制度下Ti-22Al-25Nb合金的室溫拉伸性能Table 2 Room temperature tensile properties of Ti-22Al-25Nb alloy after different heat treatments

圖3為B2單相區等溫鍛造Ti-22Al-25Nb合金經不同熱處理制度處理后的室溫拉伸斷口形貌。從室溫拉伸的宏觀斷口形貌(圖3a、3c)可以看出，B2單相區等溫鍛造Ti-22Al-25Nb合金經不同熱處理制度處理后，其室溫拉伸斷口幾乎沒有宏觀頸縮現象，斷裂面與拉伸應力垂直，斷口相對較平，顏色灰暗，無金屬光澤，包含了近似層狀排列的解理小刻面，呈現明顯的脆性斷裂特征，與合金本身的塑性、特別是斷面收縮率較低(表2)的試驗結果一致。相比較而言，960 ℃固溶處理試樣的宏觀斷口相對凹凸不平(圖3c)，塑性略微增加。室溫拉伸斷口形貌(圖3b、3d)微觀分析表明，相對較平的解理小刻面放大后，可以觀察到微孔狀的韌窩，960 ℃固溶處理的韌窩相對較大較深， 小平面呈層狀分布特征。

圖3 等溫鍛造Ti-22Al-25Nb合金經不同熱處理制度處理后的室溫拉伸斷口形貌Fig.3 Room temperature fractographs of isothermally forged Ti-22Al-25Nb alloy after different heat treatments:(a)macro-fractograph for HT-1;(b)micro-fractograph for HT-1;(c)macro-fractograph for HT-2;(d)micro-fractograph for HT-2

綜上所述，Ti-22Al-25Nb合金板條組織在室溫拉伸過程中，以B2相晶粒沿著某個解理面解理或準解理斷裂為主，因而在斷口上表現出許多近似層狀分布的解理小刻面，呈現出脆性解理斷裂的特征。裂紋先沿著B2相的某個解理平面擴展，當裂紋擴展遇到較粗的一次板條O相時，裂紋尖端的擴展受阻，被迫向阻力更小的方向擴展。當多個高度不同的裂紋相交時，形成準解理臺階。在Ti-22Al-25Nb合金板條組織中，板條O相的滑移系較少，因而較脆；而基體B2相滑移系較多，塑性較好。此外，在Ti-22Al-25Nb合金室溫拉伸過程中，板條O相與基體B2相之間容易產生變形不協調，導致板條O相被切斷或被拔出，從而呈現出大小不同的微孔洞[9]。本研究中，當固溶溫度升高時，一次板條O相變短變粗，含量減少，B2相含量增多；在隨后的時效過程中又以均勻細小的二次針狀O相彌散析出，起著彌散強化的作用，因此Ti-22Al-25Nb合金室溫拉伸強度提高；而較細的針狀O相比較粗的針狀O相更容易協調變形，表現為Ti-22Al-25Nb合金的室溫塑性略微增加。

3 結 論

(1)B2單相區等溫鍛造Ti-22Al-25Nb合金在O+B2相區固溶加時效處理后，顯微組織主要由一次板條狀O相、次生針狀板條O相和B2相基體組成。固溶溫度的高低主要影響一次板條O相的析出。隨著固溶溫度的升高，O相逐漸變短變粗，體積分數逐漸減小，呈現球化趨勢。

(2)隨著固溶溫度的升高，B2單相區等溫鍛造Ti-22Al-25Nb合金強度增加，塑性略微提高。斷裂主要是沿B2相晶粒的某個解理面解理斷裂或準解理斷裂，呈現許多近似層狀的解理小刻面，其微觀形貌為微孔狀的韌窩。

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