陳振華+謝配孺+姜勇+陳鼎

摘要：通過模擬空間特殊環(huán)境，對純鈦、TA7，TC4和TC10鈦合金在深冷處理及冷熱循環(huán)處理環(huán)境下的顯微組織及力學(xué)性能進(jìn)行了研究；并進(jìn)行了維氏硬度觀察及金相組織、XRD，掃描電鏡分析.結(jié)果表明：深冷及冷熱循環(huán)處理可以改善鈦合金的顯微組織，也可以提高其力學(xué)性能，同時(shí)冷熱循環(huán)處理可以引起純鈦孿晶增生的現(xiàn)象.

關(guān)鍵詞：鈦合金；深冷處理；冷熱循環(huán)處理；XRD；顯微組織

中圖分類號：TB31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

與其它傳統(tǒng)金屬合金相比，鈦合金因密度小、比強(qiáng)度高、耐高溫、耐蝕、無磁、可焊等優(yōu)異的綜合性能在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片、機(jī)匣、機(jī)身的框梁等

1實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)用材料購自東莞市鴻鈦鈦合金金屬有限公司生產(chǎn)的軋制態(tài)純鈦、TA7，TC4和TC10鈦合金，其化學(xué)成分如表1所示.本文通過模擬空間特殊環(huán)境，來研究深冷處理和冷熱循環(huán)處理對純鈦、鈦合金的微觀組織及性能的影響.根據(jù)文獻(xiàn)所給的信息：鈦及鈦合金材質(zhì)的航天裝備在空間特殊環(huán)境下使用時(shí)，其向陽面的溫度大概在400 K左右，所以冷熱循環(huán)熱處理中的熱處理設(shè)定溫度為400 K；而在背陽面時(shí)溫度低至液氮溫度，根據(jù)文獻(xiàn)資料和前期研究基礎(chǔ)，將深冷處理溫度定為液氮溫度（約80 K）. 本文采用的深冷處理方法為急冷急熱法，即將試樣從室溫直接浸入液氮中保溫一段時(shí)間后取出，在空氣中自然回復(fù)到室溫.而冷熱循環(huán)處理方法即將試樣直接浸入液氮中保溫12 h后取出，在空氣中回復(fù)到室溫，緊接著將試樣置于溫度為400 K的熱處理箱中保溫12 h后取出再浸入液氮中，依次循環(huán).兩種工藝路徑的處理時(shí)間為1～60 d，期間取10個(gè)時(shí)間點(diǎn)取樣，分別為1 d，3 d，5 d，7 d，11 d，18 d，30 d，40 d，50 d，60 d（d代表Day），然后進(jìn)行組織和性能的對比分析.為了消除試樣內(nèi)應(yīng)力和組織性能的均勻化，在實(shí)驗(yàn)前對試樣進(jìn)行了去應(yīng)力退火處理工藝，具體參數(shù)見表2.并采用401 MVA型維氏顯微硬度儀、Y500型Xray衍射儀、金相儀、掃描電鏡對深冷處理及冷熱循環(huán)處理前后試樣的力學(xué)性能和顯微組織進(jìn)行檢測并分析.

2結(jié)果與分析

2.1顯微硬度

對未處理和深冷及冷熱循環(huán)處理1 d，3 d，5 d，7 d，11 d，18 d，30 d，40 d，50 d，60 d的4種鈦合金試樣分別進(jìn)行顯微硬度測量（HV0.2），多次測量取平均值（10～15個(gè)點(diǎn)）.表3 給出了TA7，純鈦，TC10和TC4鈦合金經(jīng)長時(shí)間深冷處理及冷熱循環(huán)處理前后的顯微硬度最大增長百分比.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：深冷處理及冷熱循環(huán)處理可以提高某些鈦合金的顯微硬度，如純鈦、TA7；而對α+β系鈦合金的顯微硬度影響不明顯，如TC4，TC10.但不是深冷及冷熱循環(huán)時(shí)間越長越好，而是存在一個(gè)最佳的深冷及冷熱循環(huán)時(shí)間.對純鈦，其最佳冷熱循環(huán)時(shí)間為3 d，硬度從18.92上升到21.14，提高了11.7%；對TA7，其最佳深冷時(shí)間為11 d，顯微硬度從24.59增加到26.67，提高了8.45%.而TC4和TC10的硬度值最大變化不超過5%，可以認(rèn)為在實(shí)驗(yàn)誤差范圍之內(nèi)而忽略不計(jì).

2.2微觀組織

為了探討深冷處理及冷熱循環(huán)處理對鈦合金顯微硬度的作用機(jī)理，對顯微硬度變化較為明顯的試樣和未經(jīng)處理的試樣進(jìn)行顯微組織觀察，并進(jìn)行比較與分析.圖1（a，b）為純鈦經(jīng)冷熱循環(huán)處理前后的顯微組織，其中（a）為原始樣的金相組織，（b）為冷熱循環(huán)處理3 d的金相組織，在冷熱循環(huán)處理之前所有試樣均經(jīng)過退火處理，晶粒內(nèi)部有少許孿晶，并殘留了部分殘余應(yīng)力（如圖1（a）所示），而經(jīng)冷熱循環(huán)處理3 d后，孿晶數(shù)量明顯增多（如圖1（b）所示）.同時(shí)，每一次冷熱循環(huán)都會(huì)產(chǎn)生變形而使試樣原有的殘余應(yīng)力降低.Gu等

2.3SEM分析

為了探討冷熱循環(huán)處理對純鈦顯微硬度提高的作用機(jī)理，選擇顯微硬度變化較為明顯的冷熱循環(huán)處理3 d的試樣和未經(jīng)過處理的試樣進(jìn)行掃描電鏡分析.圖3給出了純鈦經(jīng)冷熱循環(huán)處理3 d前后試樣的掃描電鏡和能譜照片.圖3（a）為純鈦原始樣的形貌，晶界與孿晶上均勻分布著白色條狀物，如黑色圓圈位置所示；圖3（b）為純鈦冷熱循環(huán)處理3 d后的形貌，同樣，晶界與孿晶上彌散分布著白色顆粒，經(jīng)過能譜分析，晶界及孿晶上的白色物質(zhì)為TiN，而且經(jīng)冷熱循環(huán)處理后的試樣N的含量明顯增多.由此可知，純鈦經(jīng)冷熱循環(huán)處理之后，N在孿晶和晶界處發(fā)生了聚集現(xiàn)象；同時(shí)TiN的形貌也發(fā)生了明顯變化，由原來的條狀轉(zhuǎn)變成了顆粒狀.這可能是導(dǎo)致純鈦顯微硬度提高的又一原因.

（a） 純鈦原始樣SEM

3結(jié)論

本文對軋制態(tài)純鈦、TA7，TC10和TC4鈦合金的深冷及冷熱循環(huán)處理進(jìn)行了研究和討論，結(jié)論如下：

1）合適的冷熱循環(huán)處理時(shí)間可以提高純鈦的顯微硬度值.其最佳冷熱循環(huán)處理時(shí)間為3 d，試樣顯微硬度值提高11.7%，其顯微硬度的升高是孿晶數(shù)量的增多、晶界及孿晶位置氮化物形貌及N含量增多等綜合作用的結(jié)果.

2）選擇合適的深冷處理時(shí)間可以提高TA7的硬度值.其最佳深冷時(shí)間為11 d，顯微硬度從24.59提高到26.67，漲幅8.45%.其顯微硬度提高的作用機(jī)理主要表現(xiàn)在深冷處理后晶粒的長大、殘余應(yīng)力的消除及晶粒轉(zhuǎn)向的偏轉(zhuǎn).

3）鈦合金在深冷處理過程中會(huì)有形成亞晶結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，從而使晶粒細(xì)化，形成細(xì)晶強(qiáng)化，提高鈦合金材料的顯微硬度.

4）鈦合金TA7經(jīng)深冷處理11 d后有些晶粒發(fā)生了向（002）晶面取向的偏轉(zhuǎn)；純鈦經(jīng)冷熱循環(huán)處理3 d后某些晶粒發(fā)生了向（101）晶面取向的偏轉(zhuǎn).

參考文獻(xiàn)

[1]趙永慶，奚正平，曲橫磊.我國航空用鈦合金材料研究現(xiàn)狀＼[J＼].航空材料學(xué)報(bào)，2003， 23：215-219.

ZHAO Y Q， XI Z P， QU H L.Current situation of titanium alloy materials used for national aviation＼[J＼].Journal of Aeronautical Materials，2003， 23：215-219.（In Chinese）

＼[2＼]黃天娥，范桂彬.航空用鈦合金材料及鈦合金標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展綜述＼[J＼].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2010（3）：30-33.

HUANG T E， FAN G B.The development of titanium and titanium alloy standard used for national aviation[J].Aeronautic Standardization and Quality，2010（3）：30-33.（In Chinese）

＼[3＼]陳振華.鈦及鈦合金[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

CHEN Z H.Titanium and titanium alloys[M].Beijing： Chemical Industry Press，2005.（In Chinese）

＼[4＼]陳鼎，黃培云，黎文獻(xiàn).金屬材料的深冷處理發(fā)展概況＼[J＼].熱加工工藝，2001，3（4）：57-59.

CHEN D， HUANG P Y， LI W X.The development of cryogenic treatment about metal materials[J].Hot Working Technology，2001，3（4）：57-59.（In Chinese）

＼[5＼]JIANG Y，CHEN D，JIANG Q.Infilence of thermocold cycling treatment on AZ91 magnesium alloy[J].Metal Science and Heat Treatment，2012，53（11/12）：589-593.

＼[6＼]陳鼎.鋁和鋁合金的深冷處理＼[D＼].長沙：中南大學(xué)，2000.

CHEN D. Cryogenic treatment of Al and Al anoys＼[D＼].Chang-sha：Central South University，2000.（In Chinese）

＼[7＼]黃云戰(zhàn)，晉芳偉.深冷處理對銅合金組織和性能的影響＼[J＼].金屬熱處理，2001，26（7）：5-6.

HUANG Y Z，JIN F W.Effect of crygenic treatment on microstructure and property of copper alloys＼[J＼].Heat Treatment of Metals，200l，26（7）：5-6.（In Chinese）

＼[8＼]ZHIRAFAR S.Effect of cryogenic treatment on the mechanical properties of steel and aluminum alloys＼[D＼].Montreal，Canada：Master Thesis of Concordia University，2005.

＼[9＼]SHEVTSOV M A.Some new tendencies in the development of electrical resistance furnace and production processes for heat and chemical heat treatment of metal abroad＼[J＼].Metal Science and Heat Treatment，1987，29（5/6）：428-434.

＼[10＼]SONG X P， GU H C. Twining in tensile and cyclic deformation of commercially pure titanium at cryogenic temperature＼[J＼]. Chinese Journal of Materials Research，2000，14（1）：194-199.

＼[11＼]SUN Q Y， GU H C. Tensile and lowcycle fatigue behavior of commercially and Ti5Al2.5Sn alloy at 293K and 77K＼[J＼]. Mater Sci Eng A，2001，A316：80-86.

＼[12＼]SUN Q Y， ZHU R H， GU H C.Monotonic and cyclic behavior of Ti2.5Cu alloy at room temperature（293K） and 77K＼[J＼]. Materials Letters，2002，54（2/3）：164-168.

＼[13＼]陳瑞潤，丁宏升. 熱處理對Ti46Al0.5W0.5Si合金組織和性能的影響＼[J＼].特種鑄造及有色合金，2008（s）：271-273.

CHEN R R， DING H S. Effect of heat treatments on structure and mechanical properties of Ti46Al0.5W0.5Si alloys[J].Special Casting & Nonferrous Alloys，2008（s）：271-273.（In Chinese）

＼[14＼]駱軍，朱航天，梁敬魁. 晶粒尺寸和應(yīng)變的X射線粉末衍射法測定＼[J＼]. 物理， 2009， 38（4）：267-275.

LUO J， ZHU H T，LIANG J K. Determination of crystallite size and strain by Xray powder＼[J＼].Physics， 2009，38（4）：267-275.（In Chinese）

＼[15＼]JIANG Y，CHEN Z H， LUI J W. Effect of cryogenic treatment on the microstructure and mechanical properties of AZ31 Magnesium alloy[J]. Materials and Manufacturing Processes，2010，25（8）：837-841.

＼[16＼]陳鼎，夏樹人.鎂合金深冷處理研究＼[J＼].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，35（1）：62-65.

CHEN D， XIA S R. Study on improving performance of magnesium alloy by deep cryogenict reatment＼[J＼].Journal of Hunan University：Natural Sciences，2008，35（1）：62-65.（In Chinese）

＼[17＼]陳鼎，黎文獻(xiàn).深冷處理下鋁和鋁合金的晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)＼[J＼].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2000，3l（6）：544-547.

CHEN D，LI W X.Grain preferred orientation of Al and Al alloys through cryogenic treatment＼[J＼].Joumal of Central South University of Technology：Natural Science，2000，3l（6）：544-547.（In Chinese）

ZHAO Y Q， XI Z P， QU H L.Current situation of titanium alloy materials used for national aviation＼[J＼].Journal of Aeronautical Materials，2003， 23：215-219.（In Chinese）

＼[2＼]黃天娥，范桂彬.航空用鈦合金材料及鈦合金標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展綜述＼[J＼].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2010（3）：30-33.

HUANG T E， FAN G B.The development of titanium and titanium alloy standard used for national aviation[J].Aeronautic Standardization and Quality，2010（3）：30-33.（In Chinese）

＼[3＼]陳振華.鈦及鈦合金[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

CHEN Z H.Titanium and titanium alloys[M].Beijing： Chemical Industry Press，2005.（In Chinese）

＼[4＼]陳鼎，黃培云，黎文獻(xiàn).金屬材料的深冷處理發(fā)展概況＼[J＼].熱加工工藝，2001，3（4）：57-59.

CHEN D， HUANG P Y， LI W X.The development of cryogenic treatment about metal materials[J].Hot Working Technology，2001，3（4）：57-59.（In Chinese）

＼[5＼]JIANG Y，CHEN D，JIANG Q.Infilence of thermocold cycling treatment on AZ91 magnesium alloy[J].Metal Science and Heat Treatment，2012，53（11/12）：589-593.

＼[6＼]陳鼎.鋁和鋁合金的深冷處理＼[D＼].長沙：中南大學(xué)，2000.

CHEN D. Cryogenic treatment of Al and Al anoys＼[D＼].Chang-sha：Central South University，2000.（In Chinese）

＼[7＼]黃云戰(zhàn)，晉芳偉.深冷處理對銅合金組織和性能的影響＼[J＼].金屬熱處理，2001，26（7）：5-6.

HUANG Y Z，JIN F W.Effect of crygenic treatment on microstructure and property of copper alloys＼[J＼].Heat Treatment of Metals，200l，26（7）：5-6.（In Chinese）

＼[8＼]ZHIRAFAR S.Effect of cryogenic treatment on the mechanical properties of steel and aluminum alloys＼[D＼].Montreal，Canada：Master Thesis of Concordia University，2005.

＼[9＼]SHEVTSOV M A.Some new tendencies in the development of electrical resistance furnace and production processes for heat and chemical heat treatment of metal abroad＼[J＼].Metal Science and Heat Treatment，1987，29（5/6）：428-434.

＼[10＼]SONG X P， GU H C. Twining in tensile and cyclic deformation of commercially pure titanium at cryogenic temperature＼[J＼]. Chinese Journal of Materials Research，2000，14（1）：194-199.

＼[11＼]SUN Q Y， GU H C. Tensile and lowcycle fatigue behavior of commercially and Ti5Al2.5Sn alloy at 293K and 77K＼[J＼]. Mater Sci Eng A，2001，A316：80-86.

＼[12＼]SUN Q Y， ZHU R H， GU H C.Monotonic and cyclic behavior of Ti2.5Cu alloy at room temperature（293K） and 77K＼[J＼]. Materials Letters，2002，54（2/3）：164-168.

＼[13＼]陳瑞潤，丁宏升. 熱處理對Ti46Al0.5W0.5Si合金組織和性能的影響＼[J＼].特種鑄造及有色合金，2008（s）：271-273.

CHEN R R， DING H S. Effect of heat treatments on structure and mechanical properties of Ti46Al0.5W0.5Si alloys[J].Special Casting & Nonferrous Alloys，2008（s）：271-273.（In Chinese）

＼[14＼]駱軍，朱航天，梁敬魁. 晶粒尺寸和應(yīng)變的X射線粉末衍射法測定＼[J＼]. 物理， 2009， 38（4）：267-275.

LUO J， ZHU H T，LIANG J K. Determination of crystallite size and strain by Xray powder＼[J＼].Physics， 2009，38（4）：267-275.（In Chinese）

＼[15＼]JIANG Y，CHEN Z H， LUI J W. Effect of cryogenic treatment on the microstructure and mechanical properties of AZ31 Magnesium alloy[J]. Materials and Manufacturing Processes，2010，25（8）：837-841.

＼[16＼]陳鼎，夏樹人.鎂合金深冷處理研究＼[J＼].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，35（1）：62-65.

CHEN D， XIA S R. Study on improving performance of magnesium alloy by deep cryogenict reatment＼[J＼].Journal of Hunan University：Natural Sciences，2008，35（1）：62-65.（In Chinese）

＼[17＼]陳鼎，黎文獻(xiàn).深冷處理下鋁和鋁合金的晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)＼[J＼].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2000，3l（6）：544-547.

CHEN D，LI W X.Grain preferred orientation of Al and Al alloys through cryogenic treatment＼[J＼].Joumal of Central South University of Technology：Natural Science，2000，3l（6）：544-547.（In Chinese）

ZHAO Y Q， XI Z P， QU H L.Current situation of titanium alloy materials used for national aviation＼[J＼].Journal of Aeronautical Materials，2003， 23：215-219.（In Chinese）

＼[2＼]黃天娥，范桂彬.航空用鈦合金材料及鈦合金標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展綜述＼[J＼].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2010（3）：30-33.

HUANG T E， FAN G B.The development of titanium and titanium alloy standard used for national aviation[J].Aeronautic Standardization and Quality，2010（3）：30-33.（In Chinese）

＼[3＼]陳振華.鈦及鈦合金[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

CHEN Z H.Titanium and titanium alloys[M].Beijing： Chemical Industry Press，2005.（In Chinese）

＼[4＼]陳鼎，黃培云，黎文獻(xiàn).金屬材料的深冷處理發(fā)展概況＼[J＼].熱加工工藝，2001，3（4）：57-59.

CHEN D， HUANG P Y， LI W X.The development of cryogenic treatment about metal materials[J].Hot Working Technology，2001，3（4）：57-59.（In Chinese）

＼[5＼]JIANG Y，CHEN D，JIANG Q.Infilence of thermocold cycling treatment on AZ91 magnesium alloy[J].Metal Science and Heat Treatment，2012，53（11/12）：589-593.

＼[6＼]陳鼎.鋁和鋁合金的深冷處理＼[D＼].長沙：中南大學(xué)，2000.

CHEN D. Cryogenic treatment of Al and Al anoys＼[D＼].Chang-sha：Central South University，2000.（In Chinese）

＼[7＼]黃云戰(zhàn)，晉芳偉.深冷處理對銅合金組織和性能的影響＼[J＼].金屬熱處理，2001，26（7）：5-6.

HUANG Y Z，JIN F W.Effect of crygenic treatment on microstructure and property of copper alloys＼[J＼].Heat Treatment of Metals，200l，26（7）：5-6.（In Chinese）

＼[8＼]ZHIRAFAR S.Effect of cryogenic treatment on the mechanical properties of steel and aluminum alloys＼[D＼].Montreal，Canada：Master Thesis of Concordia University，2005.

＼[9＼]SHEVTSOV M A.Some new tendencies in the development of electrical resistance furnace and production processes for heat and chemical heat treatment of metal abroad＼[J＼].Metal Science and Heat Treatment，1987，29（5/6）：428-434.

＼[10＼]SONG X P， GU H C. Twining in tensile and cyclic deformation of commercially pure titanium at cryogenic temperature＼[J＼]. Chinese Journal of Materials Research，2000，14（1）：194-199.

＼[11＼]SUN Q Y， GU H C. Tensile and lowcycle fatigue behavior of commercially and Ti5Al2.5Sn alloy at 293K and 77K＼[J＼]. Mater Sci Eng A，2001，A316：80-86.

＼[12＼]SUN Q Y， ZHU R H， GU H C.Monotonic and cyclic behavior of Ti2.5Cu alloy at room temperature（293K） and 77K＼[J＼]. Materials Letters，2002，54（2/3）：164-168.

＼[13＼]陳瑞潤，丁宏升. 熱處理對Ti46Al0.5W0.5Si合金組織和性能的影響＼[J＼].特種鑄造及有色合金，2008（s）：271-273.

CHEN R R， DING H S. Effect of heat treatments on structure and mechanical properties of Ti46Al0.5W0.5Si alloys[J].Special Casting & Nonferrous Alloys，2008（s）：271-273.（In Chinese）

＼[14＼]駱軍，朱航天，梁敬魁. 晶粒尺寸和應(yīng)變的X射線粉末衍射法測定＼[J＼]. 物理， 2009， 38（4）：267-275.

LUO J， ZHU H T，LIANG J K. Determination of crystallite size and strain by Xray powder＼[J＼].Physics， 2009，38（4）：267-275.（In Chinese）

＼[15＼]JIANG Y，CHEN Z H， LUI J W. Effect of cryogenic treatment on the microstructure and mechanical properties of AZ31 Magnesium alloy[J]. Materials and Manufacturing Processes，2010，25（8）：837-841.

＼[16＼]陳鼎，夏樹人.鎂合金深冷處理研究＼[J＼].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，35（1）：62-65.

CHEN D， XIA S R. Study on improving performance of magnesium alloy by deep cryogenict reatment＼[J＼].Journal of Hunan University：Natural Sciences，2008，35（1）：62-65.（In Chinese）

＼[17＼]陳鼎，黎文獻(xiàn).深冷處理下鋁和鋁合金的晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)＼[J＼].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2000，3l（6）：544-547.

CHEN D，LI W X.Grain preferred orientation of Al and Al alloys through cryogenic treatment＼[J＼].Joumal of Central South University of Technology：Natural Science，2000，3l（6）：544-547.（In Chinese）