Ti-22Al-25Nb合金B2相在α2+B2相區長大行為的研究

董志國，鄭友平，曾衛東，薛 晨，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基合金具有質輕、高溫強度高、抗氧化性能優良等優點，是航空發動機高溫零部件的首選材料之一[1-2]。鋼鐵研究總院研制的Ti2AlNb基合金系的Ti-22Al-25Nb合金具有優異的綜合性能，成為目前國內鈦合金領域研究的熱點。

金屬材料的晶粒長大一直是國內外材料研究工作者研究的熱點。早期研究，主要是以Smith等人為代表的針對晶粒長大過程中組織形態特征的研究。從20世紀60年代開始，以Zener和Hillert[3-4]為代表的研究，逐漸從原子角度轉移到從晶粒角度研究晶粒長大過程。70年代，Sellars等人[5]提出了用數學模型來描述軋制及其冷卻過程的組織特征，并建立了晶粒尺寸和再結晶體積分數的半經驗公式。80年代后期至今，陸續出現了一些描述晶粒長大的新的理論模型，如Kopp等人[6]建立了低碳鋼二維鐓粗過程中晶粒尺寸和再結晶體積分數的經驗公式；Shen等人[7]對GH864高溫合金二維鐓粗過程進行了數值模擬，預測了餅坯的晶粒尺寸和再結晶體積分數；Satio[8]在熱力學、經典形核以及核長大理論的基礎上，建立了結構鋼的組織演變模型。

Ti-22Al-25Nb合金通常在α2+B2兩相區進行加熱鍛造，而在鍛造前的加熱和保溫過程中，B2相晶粒會以晶界遷移的方式長大[9]。根據Hall-Petch公式以及細晶強化理論，我們知道B2相晶粒尺寸對材料的力學性能有著重要影響。因此，為了更好地控制Ti-22Al-25Nb合金熱加工后的組織形態，獲得良好的綜合力學性能，以滿足工程化應用的要求，迫切需要系統地研究Ti-22Al-25Nb合金B2相晶粒在α2+B2兩相區的長大行為，為Ti-22Al-25Nb合金工程化應用生產工藝的制定提供可靠依據。

本研究通過在α2+B2兩相區對Ti-22Al-25Nb合金棒材進行不同溫度和不同保溫時間的熱處理試驗，分析Ti-22Al-25Nb合金B2相晶粒在α2+B2兩相區的長大行為。

1 實 驗

實驗材料為鋼鐵研究總院提供的Ti-22Al-25Nb(原子分數,下同)合金棒材。其顯微組織如圖1所示，由等軸α2相、O相包裹著的等軸α2相、板條狀O相和B2相基體構成。在Ti-22Al-25Nb合金原料棒材上切取尺寸為16 mm×16 mm×20 mm的試樣若干，分別在1 000、1 020、1 040、1 060 ℃，進行10、30、60、120、240、360 min的熱處理試驗。熱處理試驗的加熱在箱式電阻爐中進行，冷卻方式均為水冷。

圖1 Ti-22Al-25Nb合金棒材的金相照片Fig.1 Metallograph of Ti-22Al-25Nb alloy bar

將熱處理后的Ti-22Al-25Nb合金試樣制成金相樣，觀察其顯微組織。

采用Image pro plus 軟件，利用截線法在金相照片上定量統計B2相晶粒尺寸。為保證統計結果的準確性，每個熱處理條件選取5張不同視場的金相照片統計B2相晶粒尺寸，并取5個數值的平均值。

2 結果與分析

2.1 不同加熱溫度下B2相晶粒的長大行為

圖2所示為Ti-22Al-25Nb合金B2相晶粒尺寸隨加熱溫度的變化曲線，可見加熱溫度對B2相晶粒尺寸有顯著影響。在不同的保溫時間下，B2相晶粒尺寸隨著加熱溫度的升高幾乎都呈線性增長，且增長的速率也幾乎相同。

圖2 Ti-22Al-25Nb合金B2相晶粒尺寸隨加熱溫度變化曲線Fig.2 Variation of B2 grain size with heating temperature for Ti-22Al-25Nb alloy

以保溫時間為240 min的熱處理試驗為例，來分析加熱溫度對Ti-22Al-25Nb合金B2相晶粒長大行為的影響規律。圖3給出了Ti-22Al-25Nb合金在不同加熱溫度保溫240 min的金相照片。當Ti-22Al-25Nb合金加熱溫度為1 000 ℃時(圖3a)，在B2相晶粒內和晶界上存在大量的α2相顆粒， B2相晶粒尺寸為255 μm，尺寸較小；當加熱溫度升高到1 020 ℃時(圖3b)， B2相晶界上的α2相顆粒已基本溶解，B2相晶粒內部還存在部分α2顆粒，此時B2相晶粒尺寸為291 μm，明顯大于圖3a中的B2相晶粒尺寸。對比這兩個條件下熱處理后的組織還可以發現，等軸α2相顆粒的含量較大時，B2相晶粒尺寸較小；等軸α2相顆粒減少，B2相晶粒尺寸增大。表明α2相顆粒，特別是位于B2相晶界上的α2相顆粒，對B2相晶界遷移起到了很好的抑制和釘扎作用，阻礙了B2相晶粒的長大。隨著加熱溫度升高到1 040 ℃(圖3c)，α2相顆粒的數量進一步減少，對B2相的釘扎作用繼續弱化，B2相晶粒長大到322 μm。當加熱溫度升高到1 060 ℃時(如圖3d)，B2基體上幾乎沒有α2相顆粒存在，這時B2相晶界遷移不再受到α2相顆粒阻礙，B2相晶粒長大更加容易，長到了345 μm。

B2相晶粒長大過程實質上是晶界上的原子跨越晶界界面遷移、擴散的過程，是熱激活過程。一般來說，溫度越高，晶界上的原子遷移、擴散越容易，晶界遷移的速度越快，晶粒也長得越快。因此，隨著加熱溫度升高，B2相晶粒呈現出近乎線性增長的趨勢。

圖3 Ti-22Al-25Nb合金在不同加熱溫度下保溫240 min的金相照片Fig.3 Metallographs of Ti-22Al-25Nb alloy at different temperatures for 240 min:(a) 1 000 ℃; (b) 1 020 ℃; (c) 1 040 ℃; (d) 1 060 ℃

2.2 不同保溫時間下B2相晶粒的長大行為

圖4所示為Ti-22Al-25Nb合金B2相晶粒尺寸隨加熱時間變化曲線。從圖中可見看出，加熱時間對Ti-22Al-25Nb合金B2相晶粒尺寸同樣有著重要影響。在不同的加熱溫度下，隨著保溫時間延長B2相晶粒長大速度均呈現出先快后慢的變化規律。晶粒尺寸則遵循Hillert的模型[3,10]，即在一定的溫度下，晶粒尺寸與保溫時間成冪指數關系。在保溫時間不大于60 min的情況下，B2相晶粒長大速度均較快，隨著保溫時間的進一步延長，B2相晶粒長大速度開始下降，且加熱溫度越高，這種先快后慢的變化趨勢越明顯。

圖4 Ti-22Al-25Nb合金B2相晶粒尺寸隨加熱時間變化曲線Fig.4 Variation of B2 grain size with soaking time for Ti-22Al-25Nb alloy

圖5給出了 Ti-22Al-25Nb合金在1 020 ℃不同保溫時間的金相照片。從圖中可以看出，合金的組織主要由B2相基體和α2相顆粒組成。當加熱時間為10 min時(見圖5a)，B2相基體內的α2相顆粒較多。這是因為原始組織中部分O相溶解到B2相基體中，并有一些轉化為α2相；另外，α2相顆粒尺寸還會有一定程度的減小，這主要是因為在α2+B2兩相區，包裹在等軸α2相顆粒外表面的O相溶解到B2相基體中，導致α2相顆粒尺寸減小。雖然α2相顆粒對B2相晶粒長大具有一定的釘扎作用，導致B2相晶粒的尺寸比B2單相區的B2相小，但是要比原始組織的B2相晶粒大得多，具有快速長大的趨勢。這主要是由于加熱時間較短，B2相晶粒尺寸小，晶界擴散的驅動力較大。隨著保溫時間延長到60、360 min(圖5b、5c)，等軸α2相顆粒不斷溶解到B2相基體中，數量越來越少，原始組織中的B2相晶粒由于缺少了α2相顆粒的釘扎作用，晶界擴散容易，導致B2相晶粒尺寸逐漸增大。但是隨著B2相晶粒的持續長大，晶界逐漸減少且遷移驅動力下降，晶粒長大速度變緩，呈現出如圖4所示的先快后慢的長大趨勢。

圖5 Ti-22Al-25Nb合金在1 020 ℃下保溫不同時間的金相照片Fig.5 Metallographs of Ti-22Al-25Nb alloy at 1 020 ℃ for different time: (a) 10 min; (b) 60 min; (c) 360 min

基于以上分析可知，Ti-22Al-25Nb合金在α2+B2兩相區加熱，其組織演變是α2相顆粒向B2相轉變，數量逐漸減少，而B2相晶體晶粒不斷長大的過程。

3 結 論

(1)Ti-22Al-25Nb合金在α2+B2兩相區加熱時，基體B2相的晶粒尺寸隨著加熱溫度的升高而增大，α2相顆粒對B2相晶界的遷移具有釘扎和阻礙作用，從而很好得抑制了B2相基體晶粒的長大。

(2)隨著保溫時間的延長，B2相晶粒尺寸的長大速度呈現先快后慢的規律。這主要是由于當加熱時間較短時，B2相晶粒尺寸較小，晶界擴散的驅動力較大，晶粒長大速度加快；而隨著加熱時間的延長，B2相晶粒尺寸不斷增大，晶界遷移驅動力減小，晶粒長大速度降低。

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