楊曉康，康 彥，王 興，舒 瀅，邢秋麗，楊永福，唐 進

(西部鈦業(yè)有限責任公司，陜西 西安 710201)

冷卻速度對TC2鈦合金板材β淬火組織的影響

楊曉康，康 彥，王 興，舒 瀅，邢秋麗，楊永福，唐 進

(西部鈦業(yè)有限責任公司，陜西 西安 710201)

通過水淬+空冷復合的方式，實現(xiàn)了在一個試樣上淬火的冷卻速度從水淬到空冷的不同，進而研究了冷卻速度對TC2鈦合金板材β淬火組織的影響。結果表明，β淬火時冷卻速度不同，使得淬火后合金的金相組織存在較大的差別，進而對成品板材的組織產(chǎn)生影響。TC2合金板在熱軋過程中獲得了球狀-纖維狀的混合顯微組織，水淬+空冷復合試樣的水淬部分均發(fā)生馬氏體轉變，但轉變的進程有所不同，水淬+空冷復合試樣的空冷部分均為片狀組織，隨著冷卻速度的降低，α片叢明顯長大，α片寬度變大。淬火的延遲會導致板材顯微組織不均勻。

TC2鈦合金；淬火；冷卻速度

0 引 言

TC2鈦合金是一種低強度、高塑性的近α型鈦合金，含有4%α穩(wěn)定元素Al和1.5%β穩(wěn)定元素Mn。合金在室溫平衡狀態(tài)下由α相和少量β相組成，β相的含量一般為2%～4%。該合金因具有良好的工藝塑性和熱穩(wěn)定性，在航空航天工業(yè)中獲得了廣泛應用[1-3]。

TC2鈦合金板用做飛機零件時采用冷成形加工，因此對其組織和性能有較高的要求，防止在冷變形過程中出現(xiàn)變形不均的問題[4-6〗。為滿足TC2鈦合金飛機零部件冷成形的要求，要求其組織為均勻細小的等軸組織。

采用β淬火是消除TC2鈦合金板材異常組織的有效方法。但在生產(chǎn)實踐中，由于板材尺寸較大的情況下進行淬火時，板材的一端已經(jīng)入水，而另一端一定會延遲一定的時間才能入水。為了考察這種延遲對板材淬火組織的影響，本研究通過水淬+空冷復合的方式，模擬生產(chǎn)實際中的淬火過程，進而研究冷卻速度對TC2鈦合金板材β淬火組織的影響。

1 實 驗

利用真空自耗電弧爐，采用一次真空、二次充氬的熔煉工藝，制備出φ420 mm的TC2鈦合金成品鑄錠，其相變點為975±10 ℃。鑄錠在大噸位快鍛機上鍛造成厚度為200 mm的板坯，利用西部鈦業(yè)有限責任公司2 800 mm熱軋機經(jīng)二火軋制成11 mm厚的TC2鈦合金板材。沿板材軋制方向截取金相試樣，之后對板材進行760 ℃退火處理。退火后沿板材軋制方向取金相試樣，沿板材橫向截取尺寸為25 mm×25 mm×600 mm的水淬+空冷復合處理試樣。然后再對板材進行β淬火，淬火后進行后續(xù)工藝軋制，得到TC2鈦合金成品板材。再在成品板β淬火時先入水一端及最后入水端取金相試樣。

水淬+空冷復合處理是將試樣加熱到1 000 ℃，保溫一段時間，溫度均勻、熱透后迅速再將試樣一端浸入水中，而試樣另一端仍在空氣中冷卻。用奧林巴斯金相顯微鏡觀察板材熱軋態(tài)軋向顯微組織，760 ℃退火態(tài)軋向顯微組織，水淬+空冷復合處理試樣1～5號部位(圖1)的顯微組織以及成品板β淬火時先入水一端及后入水端的顯微組織。

圖1 TC2鈦合金β淬火處理及取樣示意圖Fig.1 Sketch of β quenching treatment sample of TC2 titanium alloy

2 結果與分析

2.1 熱軋態(tài)及退火態(tài)組織

圖2為TC2鈦合金板材熱軋態(tài)沿軋制方向的顯微組織和TC2鈦合金板材在760 ℃退火后的顯微組織。從圖2中可以看出，合金在熱軋過程中產(chǎn)生了塑性變形，獲得了球狀-纖維狀的混合顯微組織，在層狀(α+β)基體上分布著初生α相，部分為等軸狀，部分為拉長的纖維狀。其中等軸狀的初生α相為未參與變形的α晶粒，具有扁球形狀；而纖維狀α晶粒為沒有發(fā)生再結晶的α相受軋制變形所形成的。在760 ℃下退火后，顯微組織沒有發(fā)生大的變化，仍然是雙態(tài)狀顯微組織，但在層狀(α+β)基體上可觀察到有細小的等軸α晶粒出現(xiàn)。纖維狀α晶粒依然存在，這種纖維狀組織會導致板材存在各向異性。

圖2 TC2鈦合金熱軋板的顯微組織Fig.2 Microstructures of hot rolled TC2 titanium alloy plate

2.2 淬火態(tài)組織

為了控制β晶粒的尺寸，試樣在1 000 ℃，也就是相變點以上30～50 ℃進行短時保溫后淬火。圖3為水淬+空冷復合處理的試樣部位1和部位2的顯微組織，入水時間的間隔約為10 s。

圖3 TC2鈦合金熱軋板β水淬后的顯微組織Fig.3 Microstructures of β quenched TC2 titanium alloy plate

二者的金相組織照片均顯示發(fā)生了馬氏體轉變，但轉變的進程有所不同。圖3a為立即水淬狀態(tài)，可觀察到從晶界析出了隱約可見、斷續(xù)的α相。圖3b可觀察到晶界析出的α相增加，晶界逐漸連接。無法在光學顯微鏡下觀察到清晰的顯微組織特征。

圖4為試樣在液面處即部位3的顯微組織，其冷卻速度遠小于水淬，可觀察到晶界已由斷續(xù)狀態(tài)轉變形成連續(xù)的三角晶界，晶內(nèi)開始析出α片叢。

圖4 TC2鈦合金熱軋板β水淬后液面處的顯微組織Fig.4 Microstructure of β quenched TC2 titanium alloy plate at water level

試樣空冷部分的部位4和部位5的顯微組織如圖5a、b所示，均為片狀組織，可以觀察到較粗大的原始β晶粒， 且沿β晶界出現(xiàn)明顯α鑲邊，β晶粒被分割成由α片層組成的束。

圖5a中試樣位置靠近液面，冷卻速度較慢，可觀察到在晶粒內(nèi)部形核并長大的獨立的α片叢，已出現(xiàn)明顯的α鑲邊。而圖5b中試樣位置遠離液面，冷卻速度最慢，顯微組織主要是由從晶界向晶內(nèi)生長的位向相同、相互平行的長條狀α組織組成，晶界處的α鑲邊明顯變寬。

2.3 分析與討論

鈦合金的相變具有以下特點: 新相和母相存在嚴格的取向關系,在冷卻過程中,α相以片狀或針狀有規(guī)則的析出;由于β相中原子擴散系數(shù)大,鈦合金的加熱溫度超過相變點后,β相的長大傾向特別大,極易形成粗大晶粒。鈦合金加熱到β相區(qū)后冷卻,隨冷卻速度的不同,其相變過程也不同。β相在快速冷卻(淬火)時，因合金成分的不同，β相可以轉變?yōu)轳R氏體等亞穩(wěn)定相。鈦合金的馬氏體相變屬無擴散型相變，在相變過程中不發(fā)生原子擴散，只發(fā)生晶格重構，具有馬氏體相變的所有特點。即bcc的β相通過無擴散相變過程完全轉變?yōu)閔cp的α相，生成亞穩(wěn)的細小盤狀或針狀馬氏體組織。其動力學特點是轉變無孕育期，瞬間形核長大，轉變速度極快，每個馬氏體瞬間長到最終尺寸。其熱力學特點是馬氏體轉變的阻力很大，轉變時需要較大的過冷度，而且馬氏體轉變的持續(xù)進行只能在越來越低的溫度下進行。如圖3所示，先進行水淬的部分由于過冷度大，馬氏體轉變的阻力較小，馬氏體轉變進行充分。隨著冷卻速度的降低，晶界α析出明顯，且形成三角晶界，晶內(nèi)開始析出α片叢，嚴格來說已不屬于馬氏體轉變。β相在慢速冷卻(爐冷或空冷)時，α相的析出過程是一個形核和長大的過程，形核位置、晶核數(shù)量、長大速率與合金的成分及冷卻條件有關。研究表明[7-8]，α片的寬度和α片層的大小均隨著冷卻速度的提高而降低，但α片的寬度和α片層的大小在不同的冷卻速度區(qū)間發(fā)生變化。α片寬度的變化主要發(fā)生在空冷和爐冷之間，而α片層大小的變化主要發(fā)生在水淬和空冷之間。圖4顯示在冷卻速度較快時，有α片叢出現(xiàn)但其尺寸較小。而圖5a表明，隨著冷卻速度的降低，α片叢明顯長大。冷卻速度再降時，如圖5b所示，α片寬度變大，晶界處α鑲邊明顯變寬。

2.4 成品板組織

圖6所示為淬火時出現(xiàn)延遲入水現(xiàn)象的TC2鈦合金成品板材兩端的金相組織。圖6a為淬火時入水較快一端的成品板組織，入水時間約為10 s，冷速較快，接近水淬。金相觀察顯示為均勻細小的等軸組織。圖6b為淬火時冷卻速度較慢的成品板組織，入水時間約為40 s，冷速較慢，接近空冷。完全再結晶的等軸晶粒與平行于軋制方向的條狀晶粒呈層狀分布，為不均勻的金相組織。由于板材淬火時冷卻速度的降低，晶界α析出現(xiàn)象明顯，且形成三角晶界，同時晶內(nèi)開始析出α片叢。進而在隨后的軋制變形過程中，析出α片叢的區(qū)域和其余的區(qū)域的組織變化是不一樣的，受變形率限制，晶內(nèi)析出的α相被完全破碎較困難，造成兩種組織呈層狀分布的現(xiàn)象。

圖6 TC2鈦合金熱軋板β淬火+軋制后成品板的顯微組織Fig.6 Microstructures of finished TC2 titanium alloy plate after β quenching and rolling

3 結 論

(1)水淬+空冷復合試樣的水淬部分均發(fā)生馬氏體轉變，但轉變的進程有所不同。隨著冷卻速度的降低，斷續(xù)的晶界α相析出量增加，晶界逐漸連接。無法在光學顯微鏡下觀察到清晰的組織特征。

(2)水淬+空冷復合試樣的空冷部分均為片狀組織，隨著冷卻速度的降低，α片叢明顯長大，α片寬度變大。晶界處α鑲邊逐漸變寬。

(3)板材淬火時入水延遲的一端由于接近空冷，成品板金相組織不均勻，呈層狀分布；而淬火時入水較快一端的成品板組織由于冷速較快，接近水淬，金相觀察顯示為均勻細小的等軸組織。

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烏克蘭2013年1—11月鈦白粉出口量下跌3.4%

2013年1—11月，烏克蘭鈦白粉出口量為12.18萬噸，較2012年同期下跌3.4%。其中，烏克蘭蘇梅化學工業(yè)公司鈦白粉出口量下降至3.03萬噸，較2012年同期減少了5 400 t，而克里米亞鈦白粉公司出口量略有提高，為9.03萬噸，較2012年同期增加了1 000 t。德國取代俄羅斯成為2013年1～11月烏克蘭最主要的鈦白粉出口國，2013年前11個月出口量為2.42萬噸，而去年同期為2.25萬噸。

郭薇編譯自MRC Data Scope網(wǎng)

Effect of Cooling Rates on Microstructure of TC2 Titanium Alloy Plate Quenched above theβ-transus Temperature

Yang Xiaokang,Kang Yan,Wang Xing,Shu Ying,Xing Qiuli,Yang Yongfu,Tang Jin

(Western Titanium Technology Co., Ltd.,Xi’an 710201, China)

The effects of cooling rates on microstructure of TC2 titanium alloy plate quenched above theβ-transus temperature were studied in this paper.The results show that the different microstructures and properties are generated by cooling rates and it will finally affects the microstructure of finished products. TA2 titanium alloy plate gains spherical and fibrous microstructure after hot rolling.Rapid quenching leads to a martensitic transformation but the transformation progress are various. Slow cooling from theβphase field resulted in pure lamellar microstructures,and theαlamellar become coarser with reduced cooling rates.So the delay of quenching caused the inhomogeneous of microstructure of TC2 titanium alloy plate.

TC2 titanium alloy;quenching;cooling rate

2013-01-18

楊曉康(1982—)，男，工程師。