李 壯，康少酺，于歡歡，姜 行，仇大同，于 濤，李朝華

(沈陽航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110136)

材料工程

TC4鈦合金冷卻過程中組織變化分析

李 壯，康少酺，于歡歡，姜 行，仇大同，于 濤，李朝華

(沈陽航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110136)

采用金相顯微鏡、掃描電鏡和HV-50A維氏硬度分析儀研究了TC4鈦合金自β相區(qū)冷卻過程中相組成及微觀組織變化。結(jié)果表明，TC4鈦合金冷卻過程中發(fā)生β→α相變。冷卻速率越小，形成α相片層越厚。TC4鈦合金經(jīng)1 000 ℃固溶后，冷卻到850～800 ℃水冷時，析出α相均勻細(xì)小，試樣硬度出現(xiàn)峰值。隨著冷卻溫度繼續(xù)降低，試樣硬度開始下降。TC4鈦合金固溶后在冷卻過程中的硬度變化，很可能還與Ti2AlV(O)相和Ti2AlV相的析出、長大有關(guān)。

TC4鈦合金；冷卻溫度；冷卻速率；相；硬度

鈦及其合金因具有密度小、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車和船舶等行業(yè)[1-3]。TC4于1954年在美國首先研制成功[4]，含有α相穩(wěn)定元素Al和β相穩(wěn)定元素V，屬于Ti-Al-V系典型的α+β型雙相熱強(qiáng)鈦合金，是目前世界范圍內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的鈦合金之一[5-8]。TC4鈦合金力學(xué)行為顯著依賴于熱機(jī)械處理后的顯微組織,通過不同的熱機(jī)械處理可以獲得片層、等軸等組織形態(tài),而不同的組織具有不同的力學(xué)性能。目前TC4鈦合金的研究多集中于等軸組織的形成及其與熱機(jī)械工藝和力學(xué)性能的關(guān)系方面[9]，而對在β相區(qū)固溶冷卻過程中α片層的形成及演化過程的研究很少。本實(shí)驗(yàn)旨在研究TC4合金自β相區(qū)冷卻過程的相組成及顯微組織的演變，期望對TC4合金熱處理工藝制定、組織特征控制及力學(xué)性能優(yōu)化提供幫助。

1 試驗(yàn)材料與方法

本實(shí)驗(yàn)所用TC4鈦合金化學(xué)成分如表1所示。

表1 TC4鈦合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

采用數(shù)控線切割機(jī)床將退火后的TC4鈦合金原料制備成15個10 mm×10 mm×10 mm正方體試樣。取3個試樣為一組在SX-14-14電阻爐中加熱后，以二種不同的冷卻速率分別冷卻至不同溫度取出水冷。具體熱處理工藝參數(shù)如表2所示。采用HV-50A維式硬度分析儀測量3個試樣的硬度并取平均值。經(jīng)磨、拋制備成金相試樣,采用腐蝕劑(HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶5)進(jìn)行腐蝕,然后用Olympus-BX51金相顯微鏡和FEI 掃描電鏡觀察試樣的組織變化。

表2 TC4鈦合金的熱處理工藝

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水冷試樣硬度

不同冷卻速率下水冷試樣的硬度平均值如圖1所示。由圖1可知，試樣在1 ℃/min(Ⅰ制度)冷卻速率下冷卻至900 ℃取出水冷后硬度平均值為HV5209，隨著冷卻溫度的降低試樣硬度逐漸增大。在800 ℃取出水冷后硬度達(dá)到HV5246的最高值。隨著冷卻溫度的繼續(xù)降低硬度隨之降低，在750 ℃時硬度降低至HV5230。隨著冷卻溫度的降低，試樣在冷卻過程中硬度變化趨勢為先上升后下降，在冷卻溫度800 ℃取出水冷后達(dá)到峰值。試樣在5 ℃/min(Ⅱ制度)冷卻速率下硬度變化趨勢與Ⅰ制度相同，均是先增大后減小。在硬度增大過程中，5 ℃/min冷卻速率下硬度值普遍比1 ℃/min速率的硬度值大，二者相差明顯。在5 ℃/min冷卻速率下，在850 ℃取出水冷后硬度達(dá)到HV5252的最高值。試樣在850 ℃～800 ℃溫度范圍內(nèi)水冷時硬度達(dá)到峰值。

圖1 硬度隨冷卻溫度的變化

2.2 水冷試樣組織

由圖1可知試樣在不同速率下冷卻溫度降至850 ℃的過程中硬度值是逐漸增大的，在850 ℃～800 ℃時硬度達(dá)到峰值，當(dāng)冷卻溫度低于800 ℃時硬度逐漸降低。在此期間，TC4鈦合金慢速冷卻至不同溫度下水冷的顯微組織也呈現(xiàn)出相應(yīng)的變化規(guī)律，其中Ⅰ、Ⅱ制度二種冷卻速率冷卻至950 ℃、850 ℃、800 ℃、750 ℃的金相組織分別如圖2和圖3所示。

在1 ℃/min冷卻速率下，從圖2a可見冷卻至950 ℃時TC4鈦合金的微觀組織主要為β相，有少量α相析出；冷卻至850 ℃時(圖2b)，其α相較950 ℃的α叢尺寸減小，α條變短[10]；當(dāng)冷卻至800 ℃時α叢尺寸繼續(xù)減小，長條密致的α條形成，得到近似的網(wǎng)籃組織(圖2c)；當(dāng)冷卻至750 ℃時，原始α相開始消失，出現(xiàn)等軸α+轉(zhuǎn)變β，晶界出現(xiàn)細(xì)密傾向(圖2d)。在5 ℃/min冷卻速率下，從圖3a可見冷卻至950 ℃時的微觀組織，其組織基本仍為β相，晶界中有α相析出。二種制度對比表明，5 ℃/min 冷卻速率下α相比1 ℃/min 冷卻速率下α相，分布廣而細(xì)密(圖3b)。當(dāng)冷卻至800 ℃時，組織中α相逐漸增多，原始β晶粒及晶界α破碎消失，已開始出現(xiàn)等軸α相(圖3c)，且這種等軸α相逐漸增多(圖3d)。

二種制度冷卻至950 ℃、850 ℃、800 ℃、750 ℃溫度的掃描電鏡照片分別如圖4、圖5所示。其中5 ℃/min冷卻速率下冷卻至750℃水冷后的能譜分析見圖6。

圖2 Ⅰ制度試樣的金相組織

圖3 Ⅱ制度試樣的金相組織

圖4 Ⅰ制度試樣的SEM組織

圖5 Ⅱ制度試樣的SEM組織

圖6 Ⅱ制度試樣的的能譜分析圖

在掃描電鏡下觀測(圖4、5)，組織中存在β相和α相，其中白色發(fā)亮的β相以及灰黑色的α相，在不同冷卻溫度時的形態(tài)與分布進(jìn)一步得到證實(shí)[11-12]。通過SEM照片可見，β相組織形態(tài)發(fā)生變化，隨著冷卻的進(jìn)行，新析出的α相在β晶界和初始α相界面上都能形核，在α界面上形核析出的α相的位向與原先存在的α相的位向不同呈現(xiàn)針狀，當(dāng)溫度冷卻到850 ℃以下時，晶界形核的α片層向晶內(nèi)生長并貫穿整個β晶粒,形成全片層組織,通過SEM圖對比可知5 ℃/min 冷卻速率下α相比1 ℃/min 冷卻速率下較早形成片層組織。SEM觀測結(jié)果與金相組織非常一致。而由能譜分析結(jié)果可知，TC4鈦合金在緩慢冷卻過程中，很可能有Ti2AlV(O)相和Ti2AlV相的析出(圖6)。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

試樣硬度在850～800 ℃產(chǎn)生轉(zhuǎn)折，在該溫度范圍之上由于α相析出，硬度隨溫度降低而增大，在該溫度范圍之下時由于等軸晶和轉(zhuǎn)變β相的產(chǎn)生，硬度反而開始下降。TC4鈦合金冷卻過程中,主要的相轉(zhuǎn)變?yōu)棣隆?，? ℃/min速率冷卻,在進(jìn)入兩相區(qū)之后的冷卻過程中，α相在晶界形核,并向晶內(nèi)長大,晶粒內(nèi)部沒有形核。以5 ℃/min速率冷卻過程中,晶界與晶內(nèi)均有形核,并競爭生長,形成有少量網(wǎng)籃狀形貌的片層組織。TC4鈦合金以不同冷卻速率冷卻至室溫，β相轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑢訝瞀料啵纬善瑢咏M織。隨著冷卻速率的增大，α片層厚度、α集束、α片層體積分?jǐn)?shù)均增大。因此，當(dāng)溫度在850～800 ℃時，組織的硬度最高，組織最為均勻，此時析出α相均勻且細(xì)小。隨著冷卻溫度的下降，逐漸析出α相，溫度越低，冷卻速度越慢，α相析出越多，片層越厚。固溶溫度在β相變溫度以上時，得到魏氏體組織，具有長條狀α相。相變溫度以下為等軸晶組織。當(dāng)溫度降低到一定相變溫度以下時，開始產(chǎn)生等軸晶組織，且析出轉(zhuǎn)變β相，冷卻速度越慢，析出越早，等軸晶越易產(chǎn)生，冷卻速度越慢α相析出越多，片層越厚[13]。

在相對的低速冷卻(1 ℃/min)過程中，TC4鈦合金中相主要在晶界形核并逐漸向晶內(nèi)長大，而在相對的較高的速率(5 ℃/min)冷卻過程中，TC4鈦合金中α相在晶界和晶內(nèi)幾乎同時形核并長大。當(dāng)TC4鈦合金由β相區(qū)以1 ℃/min的速率冷卻，進(jìn)入兩相區(qū)之后的冷卻過程中,由于過冷度較小,晶核首先在晶界形成,并長大成網(wǎng)狀晶界α相[14],當(dāng)冷卻到950 ℃時,有少量α片層開始從晶界向晶內(nèi)生長，說明在兩相區(qū)溫度范圍內(nèi)β相逐漸向α轉(zhuǎn)變。另外，TC4鈦合金以1 ℃/min速率冷卻過程中，β晶粒內(nèi)基本沒有發(fā)生α相形核。也就是說,TC4鈦合金以1 ℃/min速率冷卻至兩相區(qū)高溫階段,主要發(fā)生晶界α層形核和析出，冷卻到兩相區(qū)較低溫度時，晶界α片層向晶內(nèi)長大，α相體積分?jǐn)?shù)明顯增大。相對而言，TC4鈦合金以5 ℃/min的冷卻速率自β相區(qū)冷卻至兩相區(qū)不同溫度水冷，獲得的原始晶粒較為細(xì)小，當(dāng)冷卻到850～800 ℃時，伴隨著晶界處少量α相的形核，由于水冷，不僅在晶界有針狀馬氏體析出，而且在晶內(nèi)也有少量呈一定角度的針狀馬氏體呈小集團(tuán)析出。隨著溫度降低到800 ℃時，馬氏體含量減少，α相增多。當(dāng)溫度降低到一定相變溫度以下時，開始產(chǎn)生等軸晶組織，且析出轉(zhuǎn)變β相，冷卻速度越慢，析出越早，等軸晶越易產(chǎn)生[15]。等軸組織具有較高的強(qiáng)度、塑性和疲勞強(qiáng)度，雙態(tài)組織則綜合了等軸和片層組織的特點(diǎn)，不僅具有優(yōu)良的室溫性能，而且蠕變性能、疲勞性能及熱穩(wěn)定性良好。

冷卻溫度在1 000 ℃～900 ℃過程中，試樣組織中的相主要在晶界形核并逐漸向晶內(nèi)長大，組織基本為β相，晶界中有少量α相析出。隨著溫度的下降，α相體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，當(dāng)冷卻溫度在850 ℃～800 ℃時，試樣硬度最高，組織最為均勻。當(dāng)溫度降低800 ℃以下時，開始產(chǎn)生等軸晶組織，且析出轉(zhuǎn)變β相，組織變的粗大，硬度下降。同時，Ti2AlV(O)相和Ti2AlV相很可能在緩慢冷卻過程中析出，必然會對TC4鈦合金的硬度造成影響。因此，通過對TC4鈦合金冷卻過程中組織演變的分析，設(shè)法控制α相的尺寸、形態(tài)及片層厚度，對改善材料的綜合性能具有積極作用。

3 結(jié)論

(1)TC4鈦合金固溶后，冷卻到不同溫度取出水冷，隨著冷卻溫度的下降，β相逐漸析出α相；水冷溫度越低，冷卻速度越慢，α相片層越厚；冷卻速度越快，α相碎化越嚴(yán)重。

(2)TC4鈦合金固溶后，冷卻至850～800 ℃水冷時，析出α相均勻細(xì)小，試樣硬度出現(xiàn)峰值。隨著溫度繼續(xù)降低，試樣硬度開始下降。

(3)隨著TC4鈦合金固溶后冷卻溫度的降低，α相析出，而低于800 ℃以后，α片層開始向晶內(nèi)長大，使強(qiáng)化作用減弱，是造成硬度變化的根本原因。此外，TC4鈦合金固溶后冷卻過程中，很可能有Ti2AlV(O)相和Ti2AlV相的析出，Ti2AlV(O)相和Ti2AlV相析出后，將隨固溶后冷卻溫度的降低而長大，上述硬度的變化很可能與此相關(guān)。

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(責(zé)任編輯：趙金蘭 英文審校：劉敬鈺)

ThemicrostructuralevolutionofTC4alloyduringcoolingfromthesolutiontemperature

LI Zhuang,KANG Shao-pu,YU Huan-huan,JIANG Hang,QIU Da-tong,YU Tao,LI Zhao-hua

(College of Materials Science and Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

The microstructural evolution of TC4 alloy during cooling from the solution temperature was investigated by using an optical microscopy,a scanning electron microscopy and a Vickers hardness analyzer.The results have shown that the main phase transformation wasβ→αduring cooling.Thickness ofαlath increased with decreasing cooling rates.The hardnesses of the specimens which were cooled from 850～800 ℃ after solid solution at 1 000 ℃ reached maximum value due to a uniformly fine-grained structure ofα-phase.The hardnesses of the specimens decreased with decreasing cooling temperature.The hardness changes of the specimens are also most likely related to the precipitation of Ti2AlV(O)and Ti2AlV phases during cooling.

TC4 alloy;cooling temperature;cooling rate;phase;hardness

2014-06-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：50334010)； 東北大學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(項(xiàng)目編號：12SYS05)

李壯(1964-),男，遼寧沈陽人，教授，主要研究方向：鋼鐵材料的組織與性能，E-mail:Lizhuang20047@163.com。

2095-1248(2014)05-0044-06

TG146.2

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.05.009