鈦合金固態相變的歸納與討論(Ⅷ)
——利用三類α相設計三態組織

辛社偉

(西北有色金屬研究院， 陜西 西安 710016)

工藝決定組織結構，組織結構決定力學性能。因此，顯微組織結構一直是鈦合金研究的核心。從第一個工業化應用鈦鑄錠開始，到現在已經過70余年的發展，鈦合金金相學形成了較為完整的理論體系，也出版了大量的文獻[1-4]。在這些文獻中，對不同類型鈦合金的組織形態、相種類、相結構以及不同相之間的晶體學轉變關系都有較為詳細的解釋。盡管如此，相對于傳統鋼鐵材料數千年的發展歷史，鈦合金知識體系仍然非常年輕。隨著工程應用要求的不斷提高和新工藝的不斷出現，現有的鈦合金金相學知識有時難以滿足我們更細致地理解復雜工藝帶來的特殊組織。再加之現今國內鈦產業處于爆發式增長期，從事相關科研和生產的人員越來越多，因受眾群體知識層次的不同，對鈦合金顯微組織結構相關知識提出了越來越精細的要求。特別是對于廣大工程技術人員，亟需對鈦合金顯微組織結構進行更為清晰的闡釋，對一些相形態的命名更細致、具體，從而更好地指導工程實踐。基于以上目的，本文在現有鈦合金金相學知識體系的基礎上，對鈦合金顯微組織結構進行了解析，對鈦合金中的α相進行了更為具體的區分，最后以工程應用為目標，利用不同類型α相設計了一種三態組織。所闡述內容對于鈦合金領域初學者和工程技術人員理解和設計鈦合金顯微組織結構具有一定的指導意義。

1 鈦合金顯微組織結構的解析

從表述上來講，金屬材料的顯微組織結構都傾向于使用一個詞匯“microstructure”。實際上從對金屬材料組織結構的理解來說，該詞匯包含兩層含義。第一層含義是基于形態學(morphology)的理解，可以用圖像、影像(image)來表述，它代表的是組織形態，是通過裸眼、光學顯微鏡、掃描電鏡直觀地反映于人的腦海，具有主觀性，只有定性的描述，沒有精確的定義。目前，鈦合金中典型的四大組織分類——等軸組織、雙態組織、網籃組織和魏氏體組織即是組織形態的典型代表。這4種組織是伴隨鈦合金金相學的長期發展而約定俗成的，其名稱充分體現了形態學的概念。比如網籃組織，其全稱是“片層α相相互交織成像網籃形狀一樣的組織”，是為了從形態上區分有明顯晶界α相、并且晶內片層α相呈平行排列成不同集束的魏氏體組織。再比如雙態組織，是2種狀態(等軸和片層)α相同時存在，并且具有均衡的地位，是為了區別以等軸α相為主，片層α為輔(片層α相太少，無法獨立支撐一種狀態)的等軸組織。上述鈦合金的組織形態是基于形態學的區分，沒有嚴格的定義，因此從組織形態角度出發，也會有其他不同的命名，比如混合組織、三態組織等。甚至由于個人主觀性，同一種組織出現不同的命名。

“microstructure”的第二層含義即“結構”，英文詞匯為“structure”，這個詞描述的是相(phase)。提到structure，想到的是晶格結構，原子排列方式不同構成不同的晶格，屬于晶體學(crystallography)的范疇。對它的描述準確、科學，沒有任何似是而非的東西。對于鈦合金，涉及到結構學(晶體學)的主要結構(相)有α、α′、α″、α2、ω、β′、β等7種相，他們不但具有自己嚴格的晶體學結構，而且相互轉換符合一定的晶體學關系。

由此可見，組織形態與相結構是完全不同的兩個概念，一個屬于形態學(morphology)，一個屬于晶體學(crystallography)，它們共同構成了材料的顯微組織結構(microstructure)。因此，對于鈦合金，如果提到“雙相”組織，則是從結構學上對組織進行命名，與形態無關，凡是含有α相和β相的所有組織都是雙相組織，其中等軸組織、雙態組織、網籃組織和魏氏體組織都屬于雙相組織。這種命名主要是區別于純鈦、近α鈦合金的全α相組織和β鈦合金的全β相組織。而雙態組織則是從形態學上對組織進行區分，不涉及結構學，指的是片層狀α相(一種形態)和等軸α相(第二種形態)共同存在，并且形成均勢。其主要是為了區別于等軸組織、網籃組織和魏氏體組織。

2 基于形態學的三類α相的定義

從上述鈦合金顯微組織結構解析中可以看到，對于普通的鈦合金組織，結構學區分相對簡單，僅涉及α和β兩個相，分為雙相組織(α+β相)和單相組織(單獨α相或β相)。而形態學相對復雜，因為在實際中由于加工和熱處理工藝的不同，造成α相的形態千差萬別，但是這些千差萬別的α相形態總體可以歸為兩類，一類是長軸和短軸差別較大的片層狀，另一類是長軸和短軸幾乎相等的等軸狀。前文提到的4類組織就是根據片層狀和等軸狀α相含量和排列方式的不同而進行區分的。

從形態學來說，α相形態幾乎決定了鈦合金的組織形態，它是鈦合金組織形態區分的基礎。而造成α相形態千差萬別的主要原因是工藝過程的不同。目前，現有資料根據工藝過程將α相區分為初生α相和次生α相。多數情況下材料的終鍛在雙態區進行，初生α相對應等軸狀，次生α相對應片層狀。而實際上，廣義的片層α相根據長軸和短軸的不同包含更多形態，比如針狀、粗片層狀、細片層狀、竹葉狀、紡錘狀等。所以，為了更清楚地基于α相形態學表述鈦合金的顯微組織，文獻[5]仿照鋼中滲碳體的命名，根據熱處理過程中α相生成階段的不同，將鈦合金的α相更細致地區分為三類，分別為一次α相、二次α相和三次α相，或者初生α相、次生α相和時效α相。具體定義歸納如下。

一次α相：在固溶階段保留的α相為一次α相，也可稱為初生α相。這種α相大都遺傳于鍛造過程，其形態也依賴于鍛造過程。由于現有的鈦合金鍛坯大都是在雙態區鍛造，因此初生α相形態大多為等軸狀。當鍛坯在β相區鍛造時初生α相為片層狀。不同工藝鍛造的鈦合金經過固溶處理后，初生α相的含量與固溶溫度有關，其形態與固溶前原始組織形態有關。

二次α相：鈦合金固溶后，在冷卻過程中除初生α相以外的組織會析出α相，這個過程生成的α相為二次α相，或稱為次生α相。根據經典的形核和長大理論，這部分α相生成時由于冷卻速率大，其形態一般呈片層狀。片層長軸和短軸比由冷卻速率決定，冷卻速率越大，片層越細，排列交錯程度越高。

三次α相：固溶冷卻生成二次α相以后，除一次α相以外的組織是一個混和組織，由片層狀的二次α相和二次α層間的殘留β相組成。組織中殘留的β相在時效過程中會發生分解，形成α相和殘留β相，這種α相稱為三次α相，也可以稱為時效α相，殘留β相稱為時效β相。對于給定的合金，時效α相的形態和含量由固溶溫度、固溶后冷卻速率、時效溫度和時效時間確定，當固溶溫度和冷卻方式固定后，三次α相形態和含量由時效溫度和時間確定，符合經典的形核和長大理論。

這種對α相的區分和傳統鈦合金組織命名中只有初生α相和次生α相的表述不同，其將次生α相更細致的區分為二次α相和三次α相，更有利于對鈦合金顯微組織的分析與解析。

3 利用三類α相設計三態組織

目前在鈦合金組織命名上，通用的方法是以等軸α相和片層α相的比例和排列方式進行區分，因此，同時具備等軸α相和片層α相的所謂混合組織就是雙態組織，其對應的2種α相分別為傳統意義的初生α相和次生α相，通過固溶+時效來實現。在這種工藝條件下本文定義的二次α相和三次α相形態相似，無法在形態上獨立，形成所謂的三態組織。然而隨著現代高強韌鈦合金的發展，材料自身需要同時滿足強度、塑性、斷裂韌性和疲勞性能的要求，具有良好的綜合力學性能。從金屬學原理上講，合金的強度、塑性、韌性對組織的要求是沖突的[6]，所以為適應現代航空材料的發展要求，合金需要具有更加混合折中的組織，這樣才能協調不同性能對組織要求的沖突性。而傳統熱處理獲得的混合組織(雙態組織)無法對二次α相和三次α相進行設計和形態區分，僅能形成等軸和片層2種形態的混合組織，這或許也是目前傳統組織命名中將二次α相和三次α相統稱為次生α相的原因。

針對傳統熱處理工藝的局限性，在前文三類α相定義的基礎上，設計出一種近β雙重固溶處理工藝。該工藝可以分別有效控制一次α相、二次α相和三次α相的形態和含量，將二次α相和三次α相從形態上獨立出來，形成一種三態組織。選擇某兩相高強韌鈦合金為目標，首先對該合金進行從相變點以上到相變點以下不同溫度的固溶處理，獲得α相與固溶溫度的曲線關系，如圖1所示。以該關系圖作為后續固溶溫度的選擇依據，進行以下固溶處理。

圖1 某雙相鈦合金近β雙重固溶處理工藝圖

(1) 選擇在相變點以下接近相變點的T1溫度進行一次固溶處理。T1的選擇依據是一次α相的含量，一般將一次α相控制在10%～15%為佳。由于已經通過實驗獲得了合金α相含量與固溶溫度的關系曲線，因此通過T1的選擇很容易精確控制一次α相的含量。一次固溶后合金的顯微組織示意圖如圖2a所示。

(2) 對一次固溶后的合金進行空冷處理，合金中將會析出細針狀二次α相。一次固溶冷卻后合金的顯微組織示意圖如圖2b所示。

(3) 選擇低于一次固溶溫度的T2溫度對合金進行二次固溶處理。該固溶溫度下一次α相基本保持不變(尺寸稍有增加)，二次α相長大。二次α相含量是該固溶溫度下α相的總含量減去一次α相的含量。根據圖1曲線關系很容易獲得到T2溫度下α相的總含量，而一次α相含量是已知的，因此很容易根據需要控制二次α相含量。二次固溶后合金的顯微組織示意圖如圖2c所示。

(4) 二次固溶過程中，由于殘留β相尺寸小(圖2c)，組織穩定性提高，冷卻過程中幾乎不形成或者形成的針狀析出相很少，無法獨立形成狀態。

圖2 某雙相鈦合金近β雙重固溶處理過程中不同階段的組織示意圖

(5) 對二次固溶后的樣品進行T3溫度的時效處理，時效過程中殘留β相會分解形成三次α相，三次α相的尺寸和含量依賴時效溫度和時效時間。時效后的組織示意圖如圖2d所示。

由以上可以看到，這種專門針對三類α相的近β雙重固溶處理，第一重固溶處理可以有效將合金中的一次α相含量控制在最佳范圍內。第一重固溶處理后采用空冷方式冷卻，可保證冷卻過程中產生的主要是針片狀α相，而且針片狀α相呈一定集束排列。第二重固溶處理，可以有效地使第一重固溶處理冷卻過程中產生的集束狀排列的針片狀α相長大成為一定尺寸的片層狀α相。同時，第二重固溶溫度可以保證片層α相的含量在理想范圍內(10%～15%)，達到有效控制次生α相形態、尺寸和含量的效果。此后，時效可以有效使第二重固溶處理后殘留的β相分解為形態明顯有別于二次α相的更細小尺寸的三次α相。最終形成一種可控的具有15%～20%初生α相、10%～15%次生片層α相、65%～75%的“三次α相+時效β相”(由于三次α相尺寸過于細小，無法單獨統計含量)的三態混合組織，這種混合組織具有更為優異的綜合力學性能。圖3a為該兩相高強鈦合金經傳統固溶+時效處理獲得的該顯微組織，組織是一種典型的雙態組織，無法區分二次α相和三次α相。圖3b為經近β雙重固溶處理獲得的組織，其中右上角TEM組織顯示三次α相形貌。從圖3b可以明顯看到，一次、二次和三次α相形態完全不同，各有獨立的形態，形成了不同于傳統組織的三態組織。

圖3 某雙相鈦合金經不同工藝熱處理后獲得的雙態組織和三態組織

4 結 語

相對于鋼鐵材料而言，鈦合金金相學依然是一門年輕的學科。隨著鈦合金應用的發展，對其顯微組織結構的理解提出了更高的要求，本文在現有知識體系的基礎上，對鈦合金顯微組織結構提出了更細致的解釋，具體如下。

(1) 提出鈦合金的顯微組織結構(microstructure)分為兩個方面理解，一個是形態學(morphology)，其對應的表述是影像(image)；一個是結構學(structure)，其對應的表述是相(phase)。這種解析對于工藝(熱加工或熱處理)對鈦合金顯微組織結構的選擇與控制的科學原理以及鈦合金顯微組織結構分析測試方法的選擇具有基礎的指導意義。

(2) 以形態學(morphology)為基礎，提出鈦合金中的α相根據生成階段的不同，分為一次α相、二次α相和三次α相，或者稱為初生α相、次生α相和時效α相，這種區分方法更能清楚地對鈦合金不同組織形態進行區分和解析，為清楚認識鈦合金顯微組織提供了有益的指導。

(3) 基于三類α相的區分和闡釋，以典型雙相高強韌鈦合金為例，設計出一種近β雙重固溶處理工藝，該熱處理可以有效控制一次α相、二次α相和三次α相的形態和含量，從而形成一種不同于傳統組織的三態組織。