β熱處理條件與Ti-5321合金顯微組織特征的關系研究

周 偉，趙永慶，2，辛社偉，李 倩，張思遠，王 歡,2，蔡建華

(1.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)(2.西北工業大學，陜西 西安 710072)

0 引 言

鈦合金的強韌化與其組織結構密切相關。根據室溫下α相的形態，通常將鈦合金組織分為等軸組織、雙態組織、片層組織3類[1-4]。等軸或雙態組織具有較好的變形協調性，使鈦合金具有較高的塑性和疲勞強度。片層組織具有較高的裂紋擴展阻抗能力，斷裂韌性、裂紋擴展速率等損傷容限性能比等軸組織或雙態組織要好。在對鈦合金進行損傷容限設計時，一般會把片層組織作為優選對象[5-7]。目前，主要采用β加工和β熱處理獲得片層組織的鈦合金，β熱處理的加熱溫度和保溫時間會影響β晶粒尺寸，冷卻速率會影響α片層形貌，因此，了解不同β熱處理條件與顯微組織的關系對于調控片層組織結構和性能具有重要意義。

鈦合金是現代航空工業的關鍵結構材料。先進飛機的長壽命、高可靠性要求及耐久性、損傷容限設計對結構材料的比強度、韌性等性能提出了越來越高的要求，高強韌鈦合金成為結構鈦合金發展的重點[8-10]。Ti-5321合金是西北有色金屬研究院開發的一種Ti-Al-Mo-V-Cr-Zr-Nb-Fe系新型高強韌鈦合金[11]，其強化熱處理后的抗拉強度超過1 200 MPa，并且具有良好的韌性(KIC≥65 MPa·m1/2)。本研究對不同β熱處理條件下Ti-5321合金的顯微組織特征進行分析，旨在為制定合理的熱處理工藝及組織特征控制提供指導。

1 實 驗

實驗材料為西北有色金屬研究院自主研發的Ti-5321合金。采用真空自耗電弧爐三次熔煉制備合金鑄錠，金相法測試合金的相變溫度為(860±5)℃。鑄錠經過β相變點之上多火次鍛造加工成80 mm×80 mm方棒。從棒材上切取φ10 mm×10 mm樣品，在馬弗爐上進行不同工藝的β熱處理，具體工藝如下：①將試樣分別加熱至860、880、900、920、940、960、980、1 000 ℃，保溫30 min，水淬；②將試樣加熱至880 ℃，分別保溫30、60、90、120 min，水淬; ③將試樣加熱至880 ℃，保溫30 min后分別以0.25、0.5、1、2 ℃/min冷卻至700 ℃，水淬。

熱處理后的試樣經磨光和拋光處理后，用Kross’腐蝕液[12]腐蝕。采用Olympus PMG3光學顯微鏡觀察顯微組織，用Image-Pro Plus 6.0圖像處理軟件對組織特征參數進行測量。

2 結果與分析

2.1 β晶粒生長規律

圖1為Ti-5321合金經不同溫度和保溫時間熱處理后的顯微組織。從圖1可以看出，在860～920 ℃溫度范圍內熱處理，β晶粒尺寸隨溫度的升高長大緩慢，平均晶粒尺寸由77 μm(圖1a)增大到130 μm(圖1b)，這說明在該溫度區間內熱處理時合金具有較好的抗晶粒粗化能力。當加熱溫度升高到940 ℃時，平均晶粒尺寸接近400 μm(圖1c)，合金在該溫度發生了晶粒急劇長大現象。之后隨著溫度的升高，晶粒長大速度漸緩，980 ℃熱處理后平均晶粒尺寸為531 μm(圖1d)。合金在880 ℃熱處理時晶粒尺寸隨著保溫時間的延長趨于均勻(圖1e、f)，說明該溫度下保溫時間主要影響合金組織的均勻化效果。

通常，粗大的β晶粒有利于提高合金的斷裂韌性及抗疲勞裂紋擴展能力，但對合金的塑性不利，細小均勻的晶粒有利于提高合金的綜合性能，晶粒尺寸越均勻，其長大的動力越小，晶粒越不容易長大[13]。從上述實驗結果分析認為，Ti-5321合金β熱處理工藝優選880～920 ℃保溫60～90 min。

圖1 Ti-5321合金經不同溫度和保溫時間熱處理后的顯微組織Fig.1 Microstructures of Ti-5321 alloy after heat treatment at different temperatures and holding time：(a)880 ℃×30 min; (b)920 ℃×30 min; (c)940 ℃×30 min; (d)980 ℃×30 min; (e)880 ℃×60 min; (f)880 ℃×120 min

2.2 α片層析出特征

圖2為Ti-5321合金經880 ℃熱處理后在不同冷卻條件下的組織形貌。從圖2可以看出，冷卻速率和冷卻時間對片層組織特征影響很大。當冷卻速率為2 ℃/min時，由于冷速較快，冷卻到760 ℃時在晶界和晶內只有少量細小層針狀α相析出(圖2a)。冷卻速率為1 ℃/min 時，晶界上析出較多的細針狀α集束，晶內也存在少量取向各異的細針狀α集束(圖2b)。當冷卻速率降低至0.5 ℃/min時，α集束尺寸明顯增大，α片層增厚(圖2c)。進一步降低冷卻速率到0.25 ℃/min時，α相沿晶界析出后向晶內生長并粗化(圖2d、e)，片層在長度方向上的生長速度遠遠大于在寬度和厚度方向上的生長速度；當冷卻到700 ℃時，具有一定寬厚比的α片層貫穿整個β晶粒，形成與β晶粒之間存在Burgers取向關系的全片層組織[14](圖2f)，其生長特性符合感生形核生長特征[15]。

圖2 Ti-5321合金經880 ℃熱處理后在不同冷卻條件下的顯微組織Fig.2 Microstructures of Ti-5321 alloy after heat treatments at 880 ℃ under different cooling conditions：(a)2 ℃/min cooled to 760 ℃；(b)1 ℃/min cooled to 760 ℃；(c)0.5 ℃/min cooled to 760 ℃；(d)0.25 ℃/min cooled to 800 ℃； (e)0.25 ℃/min cooled to 760 ℃； (f)0.25 ℃/min cooled to 700 ℃；

片層集束尺寸和片層寬度是決定合金斷裂韌性的重要因素[7]，集束尺寸越大，裂紋通過不同集束的有效滑移長度增加，片層寬度越大，裂紋尖端形成空洞所需的應力越大。圖3為Ti-5321合金在不同冷卻速率下冷卻到760 ℃時的片層寬度和片層集束尺寸。從圖3可以看出，冷卻速率越大，片層寬度和集束尺寸越小。片層寬度隨著冷卻速率的增大基本呈線性減小，而集束尺寸在冷卻速率為0.25～1 ℃/min時隨冷卻速率的增大快速減小，冷卻速率為1～2 ℃/min時，集束尺寸緩慢減小。

圖4為Ti-5321合金在不同冷卻速率下冷卻不同時間后的片層寬度。從圖4可以看出，α片層寬度隨著冷卻時間的延長呈現由緩慢增大到快速增大再到緩慢增大的規律。這是由于鈦合金中的β→α轉變主要由擴散機制控制[16]，合金由β相區冷卻到相變點之下剛開始時過冷度小，元素來不及擴散，α相析出長大困難。隨著冷卻時間的延長，過冷度加大，β相轉變驅動力增大，β相較快的轉變成α相。進一步延長冷卻時間，合金中殘余β相中溶質元素趨于穩定，擴散緩慢。

圖3 冷卻速率對Ti-5321合金α片層寬度和集束尺寸的影響Fig.3 Effect of cooling rate on α lamellar width and cluster size of Ti-5321 alloy

圖4 Ti-5321合金α片層寬度隨冷卻時間的變化曲線Fig.4 Curves of α lamellar width vs.cooling time of Ti-5321 alloy

3 結 論

(1) Ti-5321合金在860～920 ℃溫度范圍內熱處理具有較好的抗晶粒粗化能力，在此溫度范圍內顯微組織為細小等軸β晶粒，同時保溫時間主要影響組織的均勻化程度，保溫時間越長，合金晶粒尺寸越均勻。從提高Ti-5321合金綜合性能出發，推薦的β熱處理工藝為880～920 ℃保溫60～90 min。

(2) Ti-5321合金在特定的冷卻速率下自β相區冷卻到(α+β)相區，α相沿晶界析出后向晶內生長并粗化，當冷卻到一定溫度時α片層終止于原始β晶界和其他α集束邊界，形成全片層組織，其生長特性符合感生形核生長特征。

(3)β熱處理冷卻速率和冷卻時間對Ti-5321合金α片層集束尺寸和片層寬度影響較大，片層寬度隨著冷卻速率的增大基本呈線性減小，隨冷卻時間的延長呈現由緩慢增大到快速增大再到緩慢增大的規律。冷卻速率為0.25～1 ℃/min時，集束尺寸隨冷卻速率的增大快速減小，冷卻速率為1～2 ℃/min時，集束尺寸減小較為緩慢。