董志國(guó)，鄭友平，曾衛(wèi)東，薛 晨，梁曉波

(1.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110015)(2.西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072)(3.鋼鐵研究總院，北京 100081)

0 引 言

Ti2AlNb基合金具有質(zhì)輕、高溫強(qiáng)度高、抗氧化性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫零部件的首選材料之一[1-2]。鋼鐵研究總院研制的Ti2AlNb基合金系的Ti-22Al-25Nb合金具有優(yōu)異的綜合性能，成為目前國(guó)內(nèi)鈦合金領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

金屬材料的晶粒長(zhǎng)大一直是國(guó)內(nèi)外材料研究工作者研究的熱點(diǎn)。早期研究，主要是以Smith等人為代表的針對(duì)晶粒長(zhǎng)大過程中組織形態(tài)特征的研究。從20世紀(jì)60年代開始，以Zener和Hillert[3-4]為代表的研究，逐漸從原子角度轉(zhuǎn)移到從晶粒角度研究晶粒長(zhǎng)大過程。70年代，Sellars等人[5]提出了用數(shù)學(xué)模型來描述軋制及其冷卻過程的組織特征，并建立了晶粒尺寸和再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的半經(jīng)驗(yàn)公式。80年代后期至今，陸續(xù)出現(xiàn)了一些描述晶粒長(zhǎng)大的新的理論模型，如Kopp等人[6]建立了低碳鋼二維鐓粗過程中晶粒尺寸和再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的經(jīng)驗(yàn)公式；Shen等人[7]對(duì)GH864高溫合金二維鐓粗過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)了餅坯的晶粒尺寸和再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)；Satio[8]在熱力學(xué)、經(jīng)典形核以及核長(zhǎng)大理論的基礎(chǔ)上，建立了結(jié)構(gòu)鋼的組織演變模型。

Ti-22Al-25Nb合金通常在α2+B2兩相區(qū)進(jìn)行加熱鍛造，而在鍛造前的加熱和保溫過程中，B2相晶粒會(huì)以晶界遷移的方式長(zhǎng)大[9]。根據(jù)Hall-Petch公式以及細(xì)晶強(qiáng)化理論，我們知道B2相晶粒尺寸對(duì)材料的力學(xué)性能有著重要影響。因此，為了更好地控制Ti-22Al-25Nb合金熱加工后的組織形態(tài)，獲得良好的綜合力學(xué)性能，以滿足工程化應(yīng)用的要求，迫切需要系統(tǒng)地研究Ti-22Al-25Nb合金B(yǎng)2相晶粒在α2+B2兩相區(qū)的長(zhǎng)大行為，為Ti-22Al-25Nb合金工程化應(yīng)用生產(chǎn)工藝的制定提供可靠依據(jù)。

本研究通過在α2+B2兩相區(qū)對(duì)Ti-22Al-25Nb合金棒材進(jìn)行不同溫度和不同保溫時(shí)間的熱處理試驗(yàn)，分析Ti-22Al-25Nb合金B(yǎng)2相晶粒在α2+B2兩相區(qū)的長(zhǎng)大行為。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為鋼鐵研究總院提供的Ti-22Al-25Nb(原子分?jǐn)?shù),下同)合金棒材。其顯微組織如圖1所示，由等軸α2相、O相包裹著的等軸α2相、板條狀O相和B2相基體構(gòu)成。在Ti-22Al-25Nb合金原料棒材上切取尺寸為16 mm×16 mm×20 mm的試樣若干，分別在1 000、1 020、1 040、1 060 ℃，進(jìn)行10、30、60、120、240、360 min的熱處理試驗(yàn)。熱處理試驗(yàn)的加熱在箱式電阻爐中進(jìn)行，冷卻方式均為水冷。

圖1 Ti-22Al-25Nb合金棒材的金相照片F(xiàn)ig.1 Metallograph of Ti-22Al-25Nb alloy bar

將熱處理后的Ti-22Al-25Nb合金試樣制成金相樣，觀察其顯微組織。

采用Image pro plus 軟件，利用截線法在金相照片上定量統(tǒng)計(jì)B2相晶粒尺寸。為保證統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每個(gè)熱處理?xiàng)l件選取5張不同視場(chǎng)的金相照片統(tǒng)計(jì)B2相晶粒尺寸，并取5個(gè)數(shù)值的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同加熱溫度下B2相晶粒的長(zhǎng)大行為

圖2所示為Ti-22Al-25Nb合金B(yǎng)2相晶粒尺寸隨加熱溫度的變化曲線，可見加熱溫度對(duì)B2相晶粒尺寸有顯著影響。在不同的保溫時(shí)間下，B2相晶粒尺寸隨著加熱溫度的升高幾乎都呈線性增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)的速率也幾乎相同。

圖2 Ti-22Al-25Nb合金B(yǎng)2相晶粒尺寸隨加熱溫度變化曲線Fig.2 Variation of B2 grain size with heating temperature for Ti-22Al-25Nb alloy

以保溫時(shí)間為240 min的熱處理試驗(yàn)為例，來分析加熱溫度對(duì)Ti-22Al-25Nb合金B(yǎng)2相晶粒長(zhǎng)大行為的影響規(guī)律。圖3給出了Ti-22Al-25Nb合金在不同加熱溫度保溫240 min的金相照片。當(dāng)Ti-22Al-25Nb合金加熱溫度為1 000 ℃時(shí)(圖3a)，在B2相晶粒內(nèi)和晶界上存在大量的α2相顆粒， B2相晶粒尺寸為255 μm，尺寸較??；當(dāng)加熱溫度升高到1 020 ℃時(shí)(圖3b)， B2相晶界上的α2相顆粒已基本溶解，B2相晶粒內(nèi)部還存在部分α2顆粒，此時(shí)B2相晶粒尺寸為291 μm，明顯大于圖3a中的B2相晶粒尺寸。對(duì)比這兩個(gè)條件下熱處理后的組織還可以發(fā)現(xiàn)，等軸α2相顆粒的含量較大時(shí)，B2相晶粒尺寸較??；等軸α2相顆粒減少，B2相晶粒尺寸增大。表明α2相顆粒，特別是位于B2相晶界上的α2相顆粒，對(duì)B2相晶界遷移起到了很好的抑制和釘扎作用，阻礙了B2相晶粒的長(zhǎng)大。隨著加熱溫度升高到1 040 ℃(圖3c)，α2相顆粒的數(shù)量進(jìn)一步減少，對(duì)B2相的釘扎作用繼續(xù)弱化，B2相晶粒長(zhǎng)大到322 μm。當(dāng)加熱溫度升高到1 060 ℃時(shí)(如圖3d)，B2基體上幾乎沒有α2相顆粒存在，這時(shí)B2相晶界遷移不再受到α2相顆粒阻礙，B2相晶粒長(zhǎng)大更加容易，長(zhǎng)到了345 μm。

B2相晶粒長(zhǎng)大過程實(shí)質(zhì)上是晶界上的原子跨越晶界界面遷移、擴(kuò)散的過程，是熱激活過程。一般來說，溫度越高，晶界上的原子遷移、擴(kuò)散越容易，晶界遷移的速度越快，晶粒也長(zhǎng)得越快。因此，隨著加熱溫度升高，B2相晶粒呈現(xiàn)出近乎線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

圖3 Ti-22Al-25Nb合金在不同加熱溫度下保溫240 min的金相照片F(xiàn)ig.3 Metallographs of Ti-22Al-25Nb alloy at different temperatures for 240 min:(a) 1 000 ℃; (b) 1 020 ℃; (c) 1 040 ℃; (d) 1 060 ℃

2.2 不同保溫時(shí)間下B2相晶粒的長(zhǎng)大行為

圖4所示為Ti-22Al-25Nb合金B(yǎng)2相晶粒尺寸隨加熱時(shí)間變化曲線。從圖中可見看出，加熱時(shí)間對(duì)Ti-22Al-25Nb合金B(yǎng)2相晶粒尺寸同樣有著重要影響。在不同的加熱溫度下，隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)B2相晶粒長(zhǎng)大速度均呈現(xiàn)出先快后慢的變化規(guī)律。晶粒尺寸則遵循Hillert的模型[3,10]，即在一定的溫度下，晶粒尺寸與保溫時(shí)間成冪指數(shù)關(guān)系。在保溫時(shí)間不大于60 min的情況下，B2相晶粒長(zhǎng)大速度均較快，隨著保溫時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，B2相晶粒長(zhǎng)大速度開始下降，且加熱溫度越高，這種先快后慢的變化趨勢(shì)越明顯。

圖4 Ti-22Al-25Nb合金B(yǎng)2相晶粒尺寸隨加熱時(shí)間變化曲線Fig.4 Variation of B2 grain size with soaking time for Ti-22Al-25Nb alloy

圖5給出了 Ti-22Al-25Nb合金在1 020 ℃不同保溫時(shí)間的金相照片。從圖中可以看出，合金的組織主要由B2相基體和α2相顆粒組成。當(dāng)加熱時(shí)間為10 min時(shí)(見圖5a)，B2相基體內(nèi)的α2相顆粒較多。這是因?yàn)樵冀M織中部分O相溶解到B2相基體中，并有一些轉(zhuǎn)化為α2相；另外，α2相顆粒尺寸還會(huì)有一定程度的減小，這主要是因?yàn)樵讦?+B2兩相區(qū)，包裹在等軸α2相顆粒外表面的O相溶解到B2相基體中，導(dǎo)致α2相顆粒尺寸減小。雖然α2相顆粒對(duì)B2相晶粒長(zhǎng)大具有一定的釘扎作用，導(dǎo)致B2相晶粒的尺寸比B2單相區(qū)的B2相小，但是要比原始組織的B2相晶粒大得多，具有快速長(zhǎng)大的趨勢(shì)。這主要是由于加熱時(shí)間較短，B2相晶粒尺寸小，晶界擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力較大。隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)到60、360 min(圖5b、5c)，等軸α2相顆粒不斷溶解到B2相基體中，數(shù)量越來越少，原始組織中的B2相晶粒由于缺少了α2相顆粒的釘扎作用，晶界擴(kuò)散容易，導(dǎo)致B2相晶粒尺寸逐漸增大。但是隨著B2相晶粒的持續(xù)長(zhǎng)大，晶界逐漸減少且遷移驅(qū)動(dòng)力下降，晶粒長(zhǎng)大速度變緩，呈現(xiàn)出如圖4所示的先快后慢的長(zhǎng)大趨勢(shì)。

圖5 Ti-22Al-25Nb合金在1 020 ℃下保溫不同時(shí)間的金相照片F(xiàn)ig.5 Metallographs of Ti-22Al-25Nb alloy at 1 020 ℃ for different time: (a) 10 min; (b) 60 min; (c) 360 min

基于以上分析可知，Ti-22Al-25Nb合金在α2+B2兩相區(qū)加熱，其組織演變是α2相顆粒向B2相轉(zhuǎn)變，數(shù)量逐漸減少，而B2相晶體晶粒不斷長(zhǎng)大的過程。

3 結(jié) 論

(1)Ti-22Al-25Nb合金在α2+B2兩相區(qū)加熱時(shí)，基體B2相的晶粒尺寸隨著加熱溫度的升高而增大，α2相顆粒對(duì)B2相晶界的遷移具有釘扎和阻礙作用，從而很好得抑制了B2相基體晶粒的長(zhǎng)大。

(2)隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，B2相晶粒尺寸的長(zhǎng)大速度呈現(xiàn)先快后慢的規(guī)律。這主要是由于當(dāng)加熱時(shí)間較短時(shí)，B2相晶粒尺寸較小，晶界擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力較大，晶粒長(zhǎng)大速度加快；而隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，B2相晶粒尺寸不斷增大，晶界遷移驅(qū)動(dòng)力減小，晶粒長(zhǎng)大速度降低。

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