基于IMI834合金衍生的Ti150高溫鈦合金大規(guī)格棒材固溶溫度效應(yīng)研究——系統(tǒng)分析990~1030℃固溶處理對(duì)其等軸/雙態(tài)組織轉(zhuǎn)變、室溫及600℃高溫拉伸性能和蠕變塑性的調(diào)控機(jī)制

引言

鈦合金具有低密度、高比強(qiáng)度、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，被稱為“太空金屬”，并作為一種新型結(jié)構(gòu)材料被廣泛用于航空航天領(lǐng)域。隨著航空工業(yè)的飛速發(fā)展，飛行器飛行速度的不斷提高，航程不斷增大，對(duì)鈦合金使用性能及工作溫度的要求越來(lái)越高。為滿足新型飛機(jī)的設(shè)計(jì)要求，世界各國(guó)競(jìng)相研制工作溫度達(dá)600℃及以上的高溫鈦合金。近α型Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系合金是近年來(lái)高溫鈦合金的研究熱點(diǎn)。在Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系合金基礎(chǔ)上添加β穩(wěn)定元素Nb，可以起到多元強(qiáng)化效果，同時(shí)Nb元素還可以提高合金的抗氧化性和抗腐蝕性能。目前，投入使用的高溫鈦合金有英國(guó)的IMI834合金、美國(guó)的Ti-1100合金和俄羅斯的BT18Y合金等。我國(guó)自主研發(fā)的高溫鈦合金有Ti-55、Ti60、Ti600等。

眾所周知，材料的成分、微觀組織結(jié)構(gòu)決定其綜合性能。當(dāng)合金成分一定，熱加工工藝確定后，通過(guò)熱處理可以改善合金的綜合力學(xué)性能和加工性能，從而滿足加工和使用要求。因此，在鈦合金加工中，熱處理工藝是一道必不可少的工序。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)高溫鈦合金的研究不僅有合金的制備、熱加工成形工藝及高溫塑性變形對(duì)組織和力學(xué)性能的影響等，在高溫鈦合金熱處理方面的研究也有不少報(bào)道。Madsen等研究了時(shí)效處理對(duì)Ti-4100合金室溫及高溫拉伸性能及疲勞性能的影響，表明時(shí)效處理可以使合金的室溫和高溫屈服強(qiáng)度升高而塑性降低。Kumar等研究了時(shí)效處理對(duì)IMI834鈦合金低周疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)時(shí)效處理會(huì)嚴(yán)重降低IMI834鈦合金的低周疲勞性能。賈蔚菊等研究了時(shí)效時(shí)間對(duì)Ti60合金的組織及性能的影響，研究表明隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，合金強(qiáng)度變化不大，而塑性卻明顯下降。

在IMI834鈦合金基礎(chǔ)上，寶鈦集團(tuán)和中國(guó)科學(xué)院金屬所聯(lián)合研制了大規(guī)格Ti150合金棒材，其使用溫度達(dá)到600℃。本研究對(duì)Φ230mmTi150合金棒材進(jìn)行不同溫度的固溶時(shí)效處理，研究固溶溫度對(duì)其顯微組織及力學(xué)性能的影響，以期為該合金熱處理工藝參數(shù)的制定提供參考。

1、實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用材料為經(jīng)過(guò)3次真空自耗電弧爐熔煉的Φ700mmTi150合金鑄錠，其名義成分為Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si。經(jīng)金相法測(cè)得該合金相變點(diǎn)為1040℃。鑄錠經(jīng)β相區(qū)開(kāi)坯鍛造，在α+β相區(qū)終鍛制得Φ230mm大規(guī)格棒材。在Ti150合金棒材上切取厚度為20mm的樣片，放置在箱式電阻爐內(nèi)進(jìn)固溶時(shí)效處理。以該臺(tái)金的相變點(diǎn)為參考，確定其固溶溫度分別為990、1000、1010、1020、1030℃，保溫2h后采用油冷方式冷卻[OQ]。固溶后進(jìn)行700℃x2h/AC時(shí)效處理。

試樣經(jīng)固溶時(shí)效處理后，按照國(guó)標(biāo)加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣和蠕變?cè)嚇樱捎肅MT-5105電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)和RDW30100電子持久蠕變機(jī)進(jìn)行性能檢測(cè)。每種熱處理制度下獲得的室溫及高溫[600℃]拉伸性能數(shù)據(jù)均為3個(gè)拉伸試樣測(cè)試值的平均值，蠕變性能為2個(gè)蠕變?cè)嚇訙y(cè)試值的平均值。利用Ax-iovert200MAT光學(xué)顯微鏡和定量金相方法分析Ti150合金棒材在不同熱處理制度下的組織形貌及初生α相含量。

2、結(jié)果與分析

2.1固溶溫度對(duì)顯微組織的影響

圖1為Ti150合金棒材在不同固溶溫度下經(jīng)固溶時(shí)效處理后的金相顯微組織。由圖1可以看出，經(jīng)990℃固溶+700℃時(shí)效處理后，Ti150合金棒材的組織與鍛態(tài)組織基本類似，均為等軸組織，在β轉(zhuǎn)變組織上分布著大量的初生a相，含量約占70%。隨著固溶溫度的升高，合金的顯微組織形貌及初生a相含量發(fā)生明顯變化。當(dāng)固溶溫度達(dá)到1000℃時(shí)，組織過(guò)渡到雙態(tài)組織，初生a相含量降為40%，在β轉(zhuǎn)變組織基體上，分布著互不相連的等軸初生a相以及針狀或片層狀次生a相，初生a相尺寸約為30~40μm。次生a相是由過(guò)飽和固溶體分解而形成，次生a相優(yōu)先在β晶界處析出，其次從晶粒內(nèi)部缺陷處析出。次生a相呈針狀或片層狀是其擇優(yōu)生長(zhǎng)的結(jié)果。在垂直密排面方向上，原子間距大，不易于擴(kuò)散，生長(zhǎng)速率較慢;在平行密排面方向上，生長(zhǎng)則較快，所以在二維照片上觀察呈現(xiàn)針狀或者片層狀-。隨著固溶溫度的升高，發(fā)生a→β轉(zhuǎn)變，初生等軸a相含量不斷降低，針狀次生a相析出逐漸增多，且初生a相尺寸逐漸減小。當(dāng)固溶溫度達(dá)到1010℃時(shí)，初生a相含量降低到30%，尺寸縮小至約20~25μm。當(dāng)固溶溫度升高到1020℃時(shí)，片層狀次生a相厚度增加[圖1e]，且有明顯長(zhǎng)大趨勢(shì);當(dāng)固溶溫度接近相變點(diǎn)溫度時(shí)，等軸初生a相含量極低[圖1f]，由此說(shuō)明等軸初生a相含量在相變點(diǎn)附近對(duì)溫度較為敏感，次生a相長(zhǎng)而平直，且長(zhǎng)度近乎為1020℃固溶處理的1.5倍。固溶溫度越高，原子擴(kuò)散速率越快，β相內(nèi)的元素分布越均勻，在冷卻過(guò)程中，發(fā)生β→a轉(zhuǎn)變，沿晶界富集的a相穩(wěn)定元素促進(jìn)β相向a相轉(zhuǎn)變。固溶溫度升高，不僅增加了元素的固溶度，便于均勻形核，而且增大了β相和α相的自由能差，相變驅(qū)動(dòng)力增大，從而促進(jìn)了次生a相優(yōu)先在晶界析出，其次在晶內(nèi)析出，因而晶粒尺寸逐漸長(zhǎng)大[9-10]。

2.2固溶溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

Ti150合金棒材通過(guò)不同溫度固溶處理后，其室溫和高溫拉伸性能變化如圖2所示。由圖2可知，隨著固溶溫度由990℃升高到1030℃，合金的室溫強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度變化明顯。在990℃固溶+時(shí)效后，室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度均最低，但其塑性較好，這與其組織特點(diǎn)相匹配。在室溫下，位錯(cuò)起主要強(qiáng)化作用，固溶溫度低，提供的相變驅(qū)動(dòng)力小，析出的次生α相含量少，其強(qiáng)化作用弱;且固溶溫度越低，等軸初生α相含量越多，晶粒尺寸越細(xì)小，越有利于不同晶粒內(nèi)的滑移系開(kāi)動(dòng)，彌散分布的α相協(xié)調(diào)變形，因此其塑性好。當(dāng)固溶溫度達(dá)到1000℃時(shí)，其室溫、高溫強(qiáng)度均達(dá)到最高，室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為1077、957MPa;其高溫抗拉強(qiáng)度達(dá)702MPa,屈服強(qiáng)度為555MPa。隨著固溶溫度由1000℃升高到1020℃，合金的室溫強(qiáng)度略有降低，斷后伸長(zhǎng)率提高。當(dāng)固溶溫度達(dá)到1030℃，強(qiáng)度和塑性驟降，斷后伸長(zhǎng)率降低至8.3%，斷面收縮率為14.5%。由于固溶溫度為1030℃時(shí)，接近相變點(diǎn)，等軸初生α相含量極少，次生α相長(zhǎng)大，晶界α相粗化，使得該處應(yīng)力集中，容易萌發(fā)裂紋，造成斷裂，合金強(qiáng)度和塑性較低。大尺寸初生α相改善塑性，小尺寸針狀次生α相改善強(qiáng)度，一定數(shù)量的初生α相和針狀次生α相相互配合，使合金的強(qiáng)塑性達(dá)到最佳匹配。

隨著固溶溫度由990℃升高到1020℃時(shí)，Ti150合金棒材高溫強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低再升高的趨勢(shì)，并在1020℃時(shí)強(qiáng)塑性達(dá)到最佳匹配。這是由于隨著固溶溫度的升高，初生α相含量降低，次生α相增多且厚度尺寸增大，而次生α相尺寸增大有利于提升高溫拉伸強(qiáng)度l(9)?10J.

2.3固溶溫度對(duì)蠕變性能的影響

圖3為Ti150合金棒材在600°C,加載應(yīng)力分別為150、160MPa，保載時(shí)間100h條件下的蠕變塑性伸長(zhǎng)率隨固溶溫度的變化曲線。由圖3可以看出，隨著固溶溫度的升高，Ti150合金棒材的蠕變塑性伸長(zhǎng)率降低，抗蠕變性能提高，這與其顯微組織變化密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，合金的抗蠕變行為主要是由晶界的滑動(dòng)以及晶內(nèi)位錯(cuò)的滑移和攀移2部分組成。材料的抗蠕變性能與組織中等軸a相和片層a相的相對(duì)含量有關(guān)，片層a相比等軸a相具有更好的蠕變抗力。由前面的分析可知，Ti150合金棒材在兩相區(qū)固溶時(shí)效處理后發(fā)生由等軸組織向雙態(tài)組織轉(zhuǎn)變的過(guò)程，隨著固溶溫度的升高，初生等軸α相減少，次生針狀或片層狀a相增多，且次生a相長(zhǎng)大，不利于晶界滑動(dòng)，因此其抗蠕變性能提高。當(dāng)固溶溫度為1020℃時(shí)，次生a相長(zhǎng)而平直，且片層厚度增加，其中個(gè)別次生a相的取向平行于載荷方向，會(huì)有部分晶界承受較高的剪切應(yīng)力，因此其蠕變性能好。當(dāng)固溶溫度由1020°C升高到1030℃，其抗蠕變性能仍在升高，但變化不大，蠕變塑性伸長(zhǎng)率僅相差0.01%。

綜合來(lái)看，Ti150合金棒材經(jīng)過(guò)1020℃x2h/OQ+700℃2h/AC固溶時(shí)效處理后的綜合力學(xué)性能最佳。

3、結(jié)論

[1]Ti150合金棒材隨固溶溫度的升高，等軸初生α相含量逐漸減少，次生α相含量逐漸增多。

[2]隨著固溶溫度的升高，Ti150合金棒材室溫拉伸強(qiáng)度、高溫拉伸強(qiáng)度的變化明顯，在  1 020   °C固溶溫度下的強(qiáng)塑性達(dá)到最佳匹配。

[3] Ti150合金棒材經(jīng)990~1 030℃固溶+時(shí)效處理，其抗蠕變性能隨固溶溫度的升高而升高。

[4] Ti150合金棒材經(jīng)過(guò)1020℃x2h/OQ+700℃x2h/AC固溶時(shí)效處理后的綜合力學(xué)性能最佳。

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（注，原文標(biāo)題：固溶溫度對(duì)Ti150合金棒材組織及力學(xué)性能的影響）