駱 晨 張 寅 王新英 梁曉波 張建偉

熱處理對(duì)鑄造Ti2AlNb合金組織和力學(xué)性能的影響

駱 晨1，2張 寅3王新英1，2梁曉波1，2張建偉1，2

（1. 北京鋼研高納科技股份有限公司，北京 100081；2. 鋼鐵研究總院高溫合金新材料北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3. 首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

研究了不同熱處理制度對(duì)鑄造Ti-22Al-25Nb(at%)合金組織和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：合金經(jīng)熱等靜壓后的微觀組織由初生粗板條狀O相和B2相基體組成，其室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到1006MPa，塑性約為1.0%。經(jīng)980℃固溶處理，鑄造組織中的O相板條寬度有所增加，其拉伸強(qiáng)度下降接近900MPa，塑性提高到3%。鑄件在1080℃固溶處理+850℃時(shí)效處理后，組織中的初生粗板條發(fā)生溶解，在B2相基體中析出細(xì)的O相板條，該種組織的室溫拉伸強(qiáng)度超過1000MPa，但其塑性明顯下降，不足1%，當(dāng)時(shí)效溫度提高至900℃，二次O相板條粗化，組織強(qiáng)度下降約100MPa，塑性沒有明顯改善。

鑄造Ti2AlNb合金；熱處理；拉伸性能

1 引言

Ti2AlNb基金屬間化合物具有低密度、高比強(qiáng)度、良好的蠕變抗力和斷裂韌性等性能特點(diǎn)，是以航天航空發(fā)動(dòng)機(jī)為主要應(yīng)用目標(biāo)的新型輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料。研制的Ti-22Al-25Nb(at%)合金，既保持了密度低，高溫強(qiáng)度、蠕變抗力高等性能特點(diǎn)，又展示出好于同類合金的塑性、韌性及加工成型性能。目前該成分合金制作的盤件、環(huán)件、板材已進(jìn)入工程化應(yīng)用階段[1]。然而Ti2AlNb合金主要成型手段為鍛造成型，存在加工難度大、成本較高及生產(chǎn)周期長等問題。

采用鑄造成型可生產(chǎn)形狀復(fù)雜、尺寸精確的高溫合金部件，并大量節(jié)省機(jī)床加工工時(shí)，節(jié)約金屬原材料，因此發(fā)展鑄造Ti2AlNb合金能提高材料利用率、降低成本、縮短部件研制周期，是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜構(gòu)件的有效途徑。

Ti2AlNb合金性能對(duì)組織敏感，如何實(shí)現(xiàn)材料組織與性能的精確控制成為研究的難點(diǎn)[2,3]。擬以成分Ti-22Al-25Nb(at%)合金為實(shí)驗(yàn)材料，探索鑄造Ti2AlNb合金組織在不同熱處理制度下的轉(zhuǎn)變規(guī)律及其對(duì)力學(xué)性能的影響，為該類合金鑄件的開發(fā)和應(yīng)用提供一定的依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)

按照Ti-22Al-25Nb(at%)合金（簡稱TAC-3A）的名義成分配料，采用真空感應(yīng)懸浮爐熔煉，澆入陶瓷型殼成100mm×70mm×10mm板片，經(jīng)1160℃/140MPa/2h熱等靜壓處理后進(jìn)行不同制度的熱處理，熱處理制度見表1。用線切割方法切取金相試樣及拉伸試樣。拉伸試樣機(jī)加工標(biāo)距為5mm×25mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試棒。金相試樣機(jī)械拋光后用2%HF+10%HNO3+88%H2O(Vol.%)溶液侵蝕，JSM-6480-LV掃描電鏡（SEM）下觀察材料微觀組織。

表1 試驗(yàn)材料的熱處理制度

3 結(jié)果和討論

3.1 組織轉(zhuǎn)變

圖1 熱等靜壓組織SEM像

由本實(shí)驗(yàn)條件獲得的鑄造TAC-3A合金宏觀組織為等軸晶組織，晶粒尺寸在800～1500μm之間。微觀組織由板條O相以及B2相基體組成，未發(fā)現(xiàn)明顯的α2相顆粒的存在。如圖1所示，晶界平滑，晶內(nèi)O相板條密集、雜亂，與晶內(nèi)相比，晶界處的板條較粗大。

TAC-3A合金經(jīng)過980℃保溫2h空冷，即α2+B2+O三相區(qū)固溶處理，晶粒尺寸基本沒有變化，微觀組織如圖2所示，晶界依然保持平直，然而晶內(nèi)板條明顯粗化。

圖2 TAC-3A合金980℃/2h FC 熱處理組織SEM像

TAC-3A合金經(jīng)過1080℃/2h固溶處理，和O+B2兩相區(qū)850℃、900℃時(shí)效處理，對(duì)應(yīng)微觀組織見圖3、圖4。兩種組織的晶界依然保持平直，初生O相板條變粗、變短，甚至消失，初生O相板條體積分?jǐn)?shù)明顯減少。而在B2相基體出現(xiàn)極細(xì)的O相二次板條，與850℃時(shí)效組織相比，900℃時(shí)效組織B2基體中析出的O相二次板條較粗大。

圖3 1080℃/2h/AC+850℃/12h/A

圖4 1080℃/2h/AC+900℃/12h/AC

研究表明，初生O相板條的粗化是在固溶過程中形成的。而B2基體中極細(xì)的二次O相板條是在時(shí)效過程中析出的[4]。時(shí)效的溫度決定了二次析出的O相板條的尺寸和體積分?jǐn)?shù)，隨著時(shí)效溫度升高，二次O相板條體積分?jǐn)?shù)減少，而初生板條O相隨時(shí)效溫度改變化不大[5]。與鑄造Ti2AlNb組織在固溶處理+不同時(shí)效的轉(zhuǎn)變規(guī)律相吻合。

3.2 力學(xué)性能

測試上述4種組織拉伸性能，結(jié)果見表2。鑄造后的熱等靜壓組織的抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)1006MPa，屈服強(qiáng)度均在860MPa以上，與該類合金變形組織拉伸強(qiáng)度接近[1]，塑性僅為1%。鑄造組織與變形組織的主要差異為B2相晶粒的尺寸。由于B2相晶粒內(nèi)部存在大量的板條，使得鑄造組織仍具有較高的拉伸強(qiáng)度。而B2相晶粒粗大，晶界強(qiáng)度較差，拉伸時(shí)晶內(nèi)組織與晶界不能協(xié)調(diào)變形，裂紋首先在晶界處形核擴(kuò)展，造成合金以沿晶斷裂的方式過早斷裂[6]導(dǎo)致鑄造Ti2AlNb組織室溫塑性較差。

表2 不同組織的拉伸性能

經(jīng)過980℃固溶處理的組織拉伸強(qiáng)度雖有下降，但室溫塑性明顯提高。Ti2AlNb合金的強(qiáng)度與組織中的板條尺寸關(guān)系遵從界面強(qiáng)化效應(yīng)（即Hall-Petch效應(yīng)）[7]，說明980℃固溶處理后的板條粗化，直接導(dǎo)致強(qiáng)度下降，與此同時(shí)，晶粒內(nèi)部組織強(qiáng)度的弱化，有利于合金在斷裂前有較大的變形，因而獲得較高的塑性。

1080℃固溶+850℃時(shí)效獲得的組織抗拉強(qiáng)度超過1070MPa，但塑性不足1%。可見該組織中二次O相細(xì)板條的析出強(qiáng)化作用大于初始O相板條溶解弱化作用；另外，二次O相板條的析出擴(kuò)大了晶內(nèi)組織與晶界強(qiáng)度的差距，使得該組織塑性更差。當(dāng)時(shí)效溫度提高到900℃，由于二次O相板條的粗化，該組織抗拉強(qiáng)度低于850℃時(shí)效組織抗拉強(qiáng)度，塑性有所提高。

綜上所述，保證鑄造Ti2AlNb合金抗拉強(qiáng)度前提下，提高其室溫塑性是其工程化應(yīng)用的首要條件。影響Ti2AlNb合金力學(xué)性能的因素主要有[8]：a.B2相晶粒尺寸；b.熱處理過程中相的強(qiáng)度；c.B2相、O相和α2相的體積分?jǐn)?shù)；d.O相板條尺寸；e.位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。通過對(duì)TAC-3A鑄造組織α2+B2+O相區(qū)較低溫度固溶處理，及較高溫度固溶處理結(jié)合O+B2兩相區(qū)時(shí)效處理，發(fā)現(xiàn)了O相板條在不同相區(qū)熱處理后的變化規(guī)律和對(duì)應(yīng)的拉伸性能水平。但本實(shí)驗(yàn)中的熱處理制度對(duì)B2相晶界影響較小，如何能通過熱處理改善晶界強(qiáng)度，有待進(jìn)一步研究。另外，熱處理對(duì)鑄造初始組織晶粒尺寸作用有限，因此在鑄造過程中細(xì)化晶?？赡苁歉纳畦T造組織塑性的有效途徑。

4 結(jié)束語

a. 鑄造Ti-22Al-25Nb(at%)合金宏觀組織為等軸晶組織，晶粒尺寸800～1500μm，微觀組織由B2相基體和O相板條組成。其抗拉強(qiáng)度可到達(dá)1000MPa，但塑性僅為1%。

b. 980℃固溶處理后，鑄造Ti2AlNb組織中O相板條發(fā)生粗化。其抗拉強(qiáng)度仍保持900MPa以上，但塑性提高到3%。

c. 1080℃固溶處理850℃時(shí)效獲得的Ti2AlNb組織，O相板條發(fā)生溶解，B2相基體析出二次O相細(xì)板條。其抗拉強(qiáng)度超過1070MPa，但塑性不到1%。隨著時(shí)效溫度增加到900℃，B2相基體的二次板條粗化，抗拉強(qiáng)度下降。

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Effect of Heat Treatment on Microstructure and Properties of Cast Ti-22Al-25Nb Alloy

Luo Chen1，2Zhang Yin3Wang Xinying1，2Liang Xiaobo1，2Zhang Jianwei1，2

(1. Gaona Areo Materials, Beijing 100081；2. Beijing Key Laboratory of Advanced High Temperature Materials, Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081；3. Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

Microstructure evolution of the cast Ti-22Al-25Nb (at%) alloy during different heat treatments was investigated, while the tensile properties of the alloy with different heat treatments were tested. It is found that the cast alloy microstructure after hot isostatic pressing is composed of O phase laths and B2matrix, which of the room tensile strength come to 1006MPa, the room ductility is about 1%. During 980℃ solution treatment, the width of O phase laths increases, and the tensile strength decreases to 900MPa, the ductility increases to 3%. After 1080℃ solution plus 850℃ aging treatment, the original O phase laths in the microstructure solves and the fine O phase lamellae precipitates from B2matrix, the tensile strength of the microstructure is above 1000MPa, but the ductility decreases obviously, which is less than 1%. When the aging temperature raises 900℃, the second O phase lamellae croses, and the tensile strength decreases about 100MPa, the ductility increases a little.

cast Ti2AlNb alloy；heat treatment；tensile properties

駱晨（1987），碩士，材料學(xué)專業(yè)；研究方向：鈦鋁金屬間化合物鑄造及熱處理方向。

2020-03-26