TA12A鈦合金熱處理過程中等軸和片層α相演變行為研究

陳 飛，周 瑜，王 柯

(1．陜西宏遠航空鍛造有限責任公司, 陜西 咸陽 713801)(2．重慶大學 材料科學與工程學院, 重慶 400044)

鈦合金具有比強度高、斷裂韌性好、高溫性能優良等特點，是航空航天領域一種極為重要的金屬結構材料。通過成分優化設計，研制綜合性能良好的高溫鈦合金，一直是鈦合金工作者的研究重點之一[1]。中國科學院金屬研究所在Ti55鈦合金的基礎上，增加了熱強元素Ta和Nb，同時去掉了稀土元素Nd，研發出一種新的高溫鈦合金TA12A。TA12A鈦合金屬于近α型鈦合金，其穩定性與高溫持久性能都極其優良，可在550 ℃的高溫條件下長期工作，同時具有較好的塑性。因此，TA12A鈦合金在航空領域得到了廣泛的應用，主要用于制造航空發動機壓氣機盤、鼓筒、葉片等[2,3]。

對于近α型鈦合金，其α相通常表現出3種典型形貌，即等軸狀初生α相、片層狀次生α相和針狀次生α相，α相的形貌、尺寸和相對含量很大程度上決定了鈦合金的力學性能[2]。一般來講，由等軸α相和片層α相組成的雙態組織鈦合金具有良好的綜合性能[3]。朱雪峰等[4]研究指出，調控等軸α相和片層α相之間的相對含量是調控TA12A鈦合金力學性能的有效手段。近α型鈦合金棒材的生產一般經過2個階段。第1階段為鑄錠的開坯鍛造，此階段可獲得成分和組織較為均勻的魏氏組織，其α相呈片層狀。第2階段為兩相區鍛造，此階段可以使片層組織發生球化，生成等軸α晶粒，并在一定程度上控制等軸α相和片層α相的尺寸和相對含量。同時，Li等[5]和Zhu等[6]研究指出，通過熱處理可以調控近α型TA19和TA15鈦合金中等軸α相和片層α相的相對含量，且等軸α和片層α相演變行為之間相互影響。然而，目前關于TA12A鈦合金熱處理過程中的微觀組織演變行為研究較少，特別是等軸α和片層α相之間的相互影響機制尚未得到深入研究。因此，本研究針對TA12A鈦合金開展熱處理實驗，研究固溶溫度和冷卻方式對微觀組織的影響，并揭示等軸α相的長大機制、片層α相的形核機制及其二者之間的競爭關系。

1 實 驗

實驗所用原材料為鍛態TA12A鈦合金棒材，其化學成分(w/%)為：Al5.58，Zr 3.1，Sn 3.66，Nb0.444，Si0.314，Ta0.467，Mo0.686，其余為Ti。TA12A鈦合金棒材原始組織為全等軸組織，如圖1所示。通過金相法測得TA12A鈦合金相變點為1010 ℃。

從TA12A鈦合金棒材上切取φ12 mm×10 mm的圓柱體試樣，并按照以下工藝開展熱處理試驗：試樣升溫至980和1000 ℃并保溫40 min，然后分別以空冷、半開爐門冷卻和爐冷3種冷卻方式冷卻至室溫，3種冷卻方式的冷卻速率約為216、72、3 ℃/min[7]。TA12A鈦合金試樣熱處理后，采用裝有HKL電子背散射衍射(EBSD)分析系統的Tescan MIRA3掃描電子顯微鏡(SEM)進行組織觀察，利用背散射電子成像(backscattered electron imaging,BSE)和EBSD技術分析組織中α相的析出機制。

2 結果與分析

2.1 熱處理對初生α相和次生α相的影響

圖2和圖3分別為固溶溫度為980和1000 ℃時，不同冷卻方式下TA12A鈦合金微觀組織的SEM照片。熱處理后，原始材料中的全等軸組織轉變成了等軸α相+片層α相的雙態組織。這是因為在升溫和保溫過程中，部分等軸α相逐漸轉變成β相；在隨后的冷卻過程中，片層α相在β相基體中析出。同時，從圖2和圖3中還可以看出，冷卻速率對等軸α相和片層α相的尺寸和相對含量影響顯著。固溶溫度一定時，隨著冷卻速率的降低，試樣中等軸α相晶粒尺寸和片層α相的厚度逐漸增大，且等軸α相的含量逐漸增多，片層α相含量逐漸減少。

圖2 固溶溫度為980 ℃時，不同冷卻方式下TA12A鈦合金的SEM 照片Fig.2 SEM microstructures of TA12A titanium alloy after solution treating at 980 ℃ and different cooling methods: (a) air cooling; (b) cooling with semi-opening furnace; (c) furnace cooling

圖3 固溶溫度為1000 ℃時，不同冷卻方式下TA12A鈦合金的SEM照片Fig.3 SEM microstructures of TA12A titanium alloy after solution treating at 1000 ℃ and different cooling methods: (a) air cooling; (b) cooling with semi-opening furnace; (c) furnace cooling

由此可見，β相向α相轉變的過程中，一方面β相可以向等軸α相轉變，使得等軸α晶粒得以長大；另一方面，β相也可以析出片層α相，且等軸α相的長大和片層α相的析出存在競爭關系。當冷卻速率較大(空冷)時，等軸α相含量較少，片層α相含量較多，且片層厚度較小。這是因為較大的冷卻速率增加了β相中的過冷度，從而促進了片層α相的形核，使得片層α相在較短的時間里便發生形核。片層α相形核后，可以沿片層長度方向迅速長大，片層厚度難以增大。因此，空冷條件下，較大的形核率使得片層厚度減小。同時，片層α相的快速析出可以抑制等軸α相的長大。隨著冷卻速率的減小(半開爐門冷卻和爐冷)，β相中過冷度減小，增大了片層α相的形核難度，片層α相的形核需要更長的孕育期。在此孕育期內，β相向等軸α相轉變，使得等軸α相得以長大。同時，降低冷卻速率會降低片層α相的形核率，使得片層α相粗化，厚度增加。

對比圖2和圖3可以發現，當固溶溫度由980 ℃升高至1000 ℃時，等軸α相含量降低，尺寸明顯減小。這主要是因為固溶溫度升高，更多原始等軸α相向β相轉變；且轉變后的等軸α晶粒尺寸更小。但是，固溶溫度對片層α相的尺寸影響較小，這說明在980～1000 ℃區間內，升高固溶溫度對片層α相的形核行為影響較小。

2.2 初生α相長大和次生α相析出機制

為了進一步研究固溶溫度對等軸α晶粒長大行為的影響，以及等軸α晶粒長大和片層α相析出之間的競爭關系，本研究進一步對微觀組織進行了深入觀察。圖4為980 ℃保溫及半開爐門冷卻后TA12A鈦合金微觀組織的BSE和EBSD照片。從圖4a中可以看出，等軸α晶粒內具有一個環狀組織，且環狀組織比等軸α相的中心區域亮度要高。為了方便描述，將這種環狀組織稱之為α環(αring)。利用背散射電子信號成像時，背散射電子的產額與原子序數有關。原子序數越大的區域，BSE照片呈現的顏色越明亮。雙相組織鈦合金在相平衡條件下，會存在成分分配效應[8]，即α相中富含α穩定元素，β相中富含β穩定元素。在TA12A鈦合金片層α束域(圖4a)中，α相中富含原子序數較小的Al，而β相中富含原子序數較大的Mo元素。因此，α相顏色灰暗，β顏色明亮。同時，等軸α晶粒中的α環和中心區域的顏色差異表明，較亮的α環內原子序數比中心區域的原子序數大。

同時，本研究通過EBSD分析了等軸α晶粒α環和中心區域的晶體取向。圖4b為EBSD獲得的歐拉圖(Euler graph)，圖4b右上角的插圖為EBSD掃描區域的BSE照片。Euler圖利用晶粒的歐拉角進行成像，顏色相同的晶粒取向一致。圖4b中，結合掃描區域的BSE照片和Euler圖，可以在Euler圖中標識出α環的位置，如白色虛線所示。由圖4b可以看出，等軸α晶粒的α環與中心區域晶體取向完全相同。因此，TA12A鈦合金冷卻過程中，等軸α晶粒的長大是一種外延長大機制。外延長大過程中，初始的等軸α晶粒通過α/β相界面的遷移發生長大，新長大的區域與初始的等軸α晶粒取向一致。但是，由于新長大區域Mo含量較高[9]，BSE照片中的亮度較初始區域較高。可見，BSE照片下觀察到的α環即為等軸α晶粒在冷卻過程中長大的區域。因此，根據α環的形貌特征，可以對冷卻過程中等軸α相的長大行為進行分析。如圖2和3所示，固溶溫度一定時，隨著冷卻速率的降低，α環的厚度逐漸增大。這表明降低冷卻速率抑制片層α形核時，為等軸α晶粒的長大提供了時間，使得等軸α晶粒長得更大。同時，對比圖2和3可以發現，相同冷卻速率條件下，雖然固溶溫度1000 ℃時的等軸α晶粒尺寸較980 ℃時的小，但是其α環的厚度變化很小。可見，固溶溫度對等軸α晶粒的長大行為影響較小，不同固溶溫度下的等軸α晶粒的晶粒尺寸主要是受α→β相轉變控制，固溶溫度越高，α→β轉變程度越大，因此等軸α晶粒尺寸越小。

圖4 固溶溫度為980 ℃時，半開爐門冷卻后TA12A鈦合金的BSE像和EBSD照片Fig.4 BSE image (a) and EBSD map (b) of TA12A titanium alloy after solution treating at 980 ℃ and cooling with semi-opening furnace

從圖2和3還可以看出，冷卻速率對片層α相的形核位置影響顯著。冷卻速率較高時(空冷)，可以看出完整的β晶粒，且在β晶界處析出連續的晶界α片層(圖2a和3a)。此時，片層α相主要在β晶界處形核，并向β晶粒內部長大。冷卻速率較低時(半開爐門冷卻和爐冷)，由于等軸α相長大較充分，使得在片層α相形核之前，等軸α相通過外延長大消耗了大量的β相，且較多等軸α彼此相連，占據了原始的β晶界(圖2b、2c、3b和3c)。因此，此時沒有β晶界成為片層α相的形核位置，而片層α相只能在等軸α相與β相的界面上形核。

圖5 等軸α晶粒與片層α相之間α環的SEM照片Fig.5 SEM images of α ring located between equiaxed α grain and lamellar α phase

3 結 論

(1)TA12A鈦合金在980和1000 ℃保溫后爐冷時，等軸α晶粒發生長大，新長大區域較初始區域亮度高，在背散射電子成像模式下表現出α環狀組織。

(2)空冷條件下，β相中過冷度較大，片層α相迅速形核并長大，從而抑制了等軸α相的長大。空冷后等軸α相較少，β晶界完整，片層α相主要在β晶界處形核。半開爐門冷卻和爐冷條件下，片層α相的形核受到抑制，從而促進了等軸α相的長大。

(3)TA12A鈦合金固溶溫度為980～1000 ℃時，固溶溫度對等軸α相的長大和片層α相的析出行為影響較小。