辛社偉

(西北有色金屬研究院， 陜西 西安 710016)

工藝決定組織結(jié)構(gòu)，組織結(jié)構(gòu)決定力學(xué)性能。因此，顯微組織結(jié)構(gòu)一直是鈦合金研究的核心。從第一個(gè)工業(yè)化應(yīng)用鈦鑄錠開始，到現(xiàn)在已經(jīng)過70余年的發(fā)展，鈦合金金相學(xué)形成了較為完整的理論體系，也出版了大量的文獻(xiàn)[1-4]。在這些文獻(xiàn)中，對不同類型鈦合金的組織形態(tài)、相種類、相結(jié)構(gòu)以及不同相之間的晶體學(xué)轉(zhuǎn)變關(guān)系都有較為詳細(xì)的解釋。盡管如此，相對于傳統(tǒng)鋼鐵材料數(shù)千年的發(fā)展歷史，鈦合金知識體系仍然非常年輕。隨著工程應(yīng)用要求的不斷提高和新工藝的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)有的鈦合金金相學(xué)知識有時(shí)難以滿足我們更細(xì)致地理解復(fù)雜工藝帶來的特殊組織。再加之現(xiàn)今國內(nèi)鈦產(chǎn)業(yè)處于爆發(fā)式增長期，從事相關(guān)科研和生產(chǎn)的人員越來越多，因受眾群體知識層次的不同，對鈦合金顯微組織結(jié)構(gòu)相關(guān)知識提出了越來越精細(xì)的要求。特別是對于廣大工程技術(shù)人員，亟需對鈦合金顯微組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行更為清晰的闡釋，對一些相形態(tài)的命名更細(xì)致、具體，從而更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐?；谝陨夏康模疚脑诂F(xiàn)有鈦合金金相學(xué)知識體系的基礎(chǔ)上，對鈦合金顯微組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解析，對鈦合金中的α相進(jìn)行了更為具體的區(qū)分，最后以工程應(yīng)用為目標(biāo)，利用不同類型α相設(shè)計(jì)了一種三態(tài)組織。所闡述內(nèi)容對于鈦合金領(lǐng)域初學(xué)者和工程技術(shù)人員理解和設(shè)計(jì)鈦合金顯微組織結(jié)構(gòu)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 鈦合金顯微組織結(jié)構(gòu)的解析

從表述上來講，金屬材料的顯微組織結(jié)構(gòu)都傾向于使用一個(gè)詞匯“microstructure”。實(shí)際上從對金屬材料組織結(jié)構(gòu)的理解來說，該詞匯包含兩層含義。第一層含義是基于形態(tài)學(xué)(morphology)的理解，可以用圖像、影像(image)來表述，它代表的是組織形態(tài)，是通過裸眼、光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡直觀地反映于人的腦海，具有主觀性，只有定性的描述，沒有精確的定義。目前，鈦合金中典型的四大組織分類——等軸組織、雙態(tài)組織、網(wǎng)籃組織和魏氏體組織即是組織形態(tài)的典型代表。這4種組織是伴隨鈦合金金相學(xué)的長期發(fā)展而約定俗成的，其名稱充分體現(xiàn)了形態(tài)學(xué)的概念。比如網(wǎng)籃組織，其全稱是“片層α相相互交織成像網(wǎng)籃形狀一樣的組織”，是為了從形態(tài)上區(qū)分有明顯晶界α相、并且晶內(nèi)片層α相呈平行排列成不同集束的魏氏體組織。再比如雙態(tài)組織，是2種狀態(tài)(等軸和片層)α相同時(shí)存在，并且具有均衡的地位，是為了區(qū)別以等軸α相為主，片層α為輔(片層α相太少，無法獨(dú)立支撐一種狀態(tài))的等軸組織。上述鈦合金的組織形態(tài)是基于形態(tài)學(xué)的區(qū)分，沒有嚴(yán)格的定義，因此從組織形態(tài)角度出發(fā)，也會有其他不同的命名，比如混合組織、三態(tài)組織等。甚至由于個(gè)人主觀性，同一種組織出現(xiàn)不同的命名。

“microstructure”的第二層含義即“結(jié)構(gòu)”，英文詞匯為“structure”，這個(gè)詞描述的是相(phase)。提到structure，想到的是晶格結(jié)構(gòu)，原子排列方式不同構(gòu)成不同的晶格，屬于晶體學(xué)(crystallography)的范疇。對它的描述準(zhǔn)確、科學(xué)，沒有任何似是而非的東西。對于鈦合金，涉及到結(jié)構(gòu)學(xué)(晶體學(xué))的主要結(jié)構(gòu)(相)有α、α′、α″、α2、ω、β′、β等7種相，他們不但具有自己嚴(yán)格的晶體學(xué)結(jié)構(gòu)，而且相互轉(zhuǎn)換符合一定的晶體學(xué)關(guān)系。

由此可見，組織形態(tài)與相結(jié)構(gòu)是完全不同的兩個(gè)概念，一個(gè)屬于形態(tài)學(xué)(morphology)，一個(gè)屬于晶體學(xué)(crystallography)，它們共同構(gòu)成了材料的顯微組織結(jié)構(gòu)(microstructure)。因此，對于鈦合金，如果提到“雙相”組織，則是從結(jié)構(gòu)學(xué)上對組織進(jìn)行命名，與形態(tài)無關(guān)，凡是含有α相和β相的所有組織都是雙相組織，其中等軸組織、雙態(tài)組織、網(wǎng)籃組織和魏氏體組織都屬于雙相組織。這種命名主要是區(qū)別于純鈦、近α鈦合金的全α相組織和β鈦合金的全β相組織。而雙態(tài)組織則是從形態(tài)學(xué)上對組織進(jìn)行區(qū)分，不涉及結(jié)構(gòu)學(xué)，指的是片層狀α相(一種形態(tài))和等軸α相(第二種形態(tài))共同存在，并且形成均勢。其主要是為了區(qū)別于等軸組織、網(wǎng)籃組織和魏氏體組織。

2 基于形態(tài)學(xué)的三類α相的定義

從上述鈦合金顯微組織結(jié)構(gòu)解析中可以看到，對于普通的鈦合金組織，結(jié)構(gòu)學(xué)區(qū)分相對簡單，僅涉及α和β兩個(gè)相，分為雙相組織(α+β相)和單相組織(單獨(dú)α相或β相)。而形態(tài)學(xué)相對復(fù)雜，因?yàn)樵趯?shí)際中由于加工和熱處理工藝的不同，造成α相的形態(tài)千差萬別，但是這些千差萬別的α相形態(tài)總體可以歸為兩類，一類是長軸和短軸差別較大的片層狀，另一類是長軸和短軸幾乎相等的等軸狀。前文提到的4類組織就是根據(jù)片層狀和等軸狀α相含量和排列方式的不同而進(jìn)行區(qū)分的。

從形態(tài)學(xué)來說，α相形態(tài)幾乎決定了鈦合金的組織形態(tài)，它是鈦合金組織形態(tài)區(qū)分的基礎(chǔ)。而造成α相形態(tài)千差萬別的主要原因是工藝過程的不同。目前，現(xiàn)有資料根據(jù)工藝過程將α相區(qū)分為初生α相和次生α相。多數(shù)情況下材料的終鍛在雙態(tài)區(qū)進(jìn)行，初生α相對應(yīng)等軸狀，次生α相對應(yīng)片層狀。而實(shí)際上，廣義的片層α相根據(jù)長軸和短軸的不同包含更多形態(tài)，比如針狀、粗片層狀、細(xì)片層狀、竹葉狀、紡錘狀等。所以，為了更清楚地基于α相形態(tài)學(xué)表述鈦合金的顯微組織，文獻(xiàn)[5]仿照鋼中滲碳體的命名，根據(jù)熱處理過程中α相生成階段的不同，將鈦合金的α相更細(xì)致地區(qū)分為三類，分別為一次α相、二次α相和三次α相，或者初生α相、次生α相和時(shí)效α相。具體定義歸納如下。

一次α相：在固溶階段保留的α相為一次α相，也可稱為初生α相。這種α相大都遺傳于鍛造過程，其形態(tài)也依賴于鍛造過程。由于現(xiàn)有的鈦合金鍛坯大都是在雙態(tài)區(qū)鍛造，因此初生α相形態(tài)大多為等軸狀。當(dāng)鍛坯在β相區(qū)鍛造時(shí)初生α相為片層狀。不同工藝鍛造的鈦合金經(jīng)過固溶處理后，初生α相的含量與固溶溫度有關(guān)，其形態(tài)與固溶前原始組織形態(tài)有關(guān)。

二次α相：鈦合金固溶后，在冷卻過程中除初生α相以外的組織會析出α相，這個(gè)過程生成的α相為二次α相，或稱為次生α相。根據(jù)經(jīng)典的形核和長大理論，這部分α相生成時(shí)由于冷卻速率大，其形態(tài)一般呈片層狀。片層長軸和短軸比由冷卻速率決定，冷卻速率越大，片層越細(xì)，排列交錯(cuò)程度越高。

三次α相：固溶冷卻生成二次α相以后，除一次α相以外的組織是一個(gè)混和組織，由片層狀的二次α相和二次α層間的殘留β相組成。組織中殘留的β相在時(shí)效過程中會發(fā)生分解，形成α相和殘留β相，這種α相稱為三次α相，也可以稱為時(shí)效α相，殘留β相稱為時(shí)效β相。對于給定的合金，時(shí)效α相的形態(tài)和含量由固溶溫度、固溶后冷卻速率、時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間確定，當(dāng)固溶溫度和冷卻方式固定后，三次α相形態(tài)和含量由時(shí)效溫度和時(shí)間確定，符合經(jīng)典的形核和長大理論。

這種對α相的區(qū)分和傳統(tǒng)鈦合金組織命名中只有初生α相和次生α相的表述不同，其將次生α相更細(xì)致的區(qū)分為二次α相和三次α相，更有利于對鈦合金顯微組織的分析與解析。

3 利用三類α相設(shè)計(jì)三態(tài)組織

目前在鈦合金組織命名上，通用的方法是以等軸α相和片層α相的比例和排列方式進(jìn)行區(qū)分，因此，同時(shí)具備等軸α相和片層α相的所謂混合組織就是雙態(tài)組織，其對應(yīng)的2種α相分別為傳統(tǒng)意義的初生α相和次生α相，通過固溶+時(shí)效來實(shí)現(xiàn)。在這種工藝條件下本文定義的二次α相和三次α相形態(tài)相似，無法在形態(tài)上獨(dú)立，形成所謂的三態(tài)組織。然而隨著現(xiàn)代高強(qiáng)韌鈦合金的發(fā)展，材料自身需要同時(shí)滿足強(qiáng)度、塑性、斷裂韌性和疲勞性能的要求，具有良好的綜合力學(xué)性能。從金屬學(xué)原理上講，合金的強(qiáng)度、塑性、韌性對組織的要求是沖突的[6]，所以為適應(yīng)現(xiàn)代航空材料的發(fā)展要求，合金需要具有更加混合折中的組織，這樣才能協(xié)調(diào)不同性能對組織要求的沖突性。而傳統(tǒng)熱處理獲得的混合組織(雙態(tài)組織)無法對二次α相和三次α相進(jìn)行設(shè)計(jì)和形態(tài)區(qū)分，僅能形成等軸和片層2種形態(tài)的混合組織，這或許也是目前傳統(tǒng)組織命名中將二次α相和三次α相統(tǒng)稱為次生α相的原因。

針對傳統(tǒng)熱處理工藝的局限性，在前文三類α相定義的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種近β雙重固溶處理工藝。該工藝可以分別有效控制一次α相、二次α相和三次α相的形態(tài)和含量，將二次α相和三次α相從形態(tài)上獨(dú)立出來，形成一種三態(tài)組織。選擇某兩相高強(qiáng)韌鈦合金為目標(biāo)，首先對該合金進(jìn)行從相變點(diǎn)以上到相變點(diǎn)以下不同溫度的固溶處理，獲得α相與固溶溫度的曲線關(guān)系，如圖1所示。以該關(guān)系圖作為后續(xù)固溶溫度的選擇依據(jù)，進(jìn)行以下固溶處理。

圖1 某雙相鈦合金近β雙重固溶處理工藝圖

(1) 選擇在相變點(diǎn)以下接近相變點(diǎn)的T1溫度進(jìn)行一次固溶處理。T1的選擇依據(jù)是一次α相的含量，一般將一次α相控制在10%～15%為佳。由于已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)獲得了合金α相含量與固溶溫度的關(guān)系曲線，因此通過T1的選擇很容易精確控制一次α相的含量。一次固溶后合金的顯微組織示意圖如圖2a所示。

(2) 對一次固溶后的合金進(jìn)行空冷處理，合金中將會析出細(xì)針狀二次α相。一次固溶冷卻后合金的顯微組織示意圖如圖2b所示。

(3) 選擇低于一次固溶溫度的T2溫度對合金進(jìn)行二次固溶處理。該固溶溫度下一次α相基本保持不變(尺寸稍有增加)，二次α相長大。二次α相含量是該固溶溫度下α相的總含量減去一次α相的含量。根據(jù)圖1曲線關(guān)系很容易獲得到T2溫度下α相的總含量，而一次α相含量是已知的，因此很容易根據(jù)需要控制二次α相含量。二次固溶后合金的顯微組織示意圖如圖2c所示。

(4) 二次固溶過程中，由于殘留β相尺寸小(圖2c)，組織穩(wěn)定性提高，冷卻過程中幾乎不形成或者形成的針狀析出相很少，無法獨(dú)立形成狀態(tài)。

圖2 某雙相鈦合金近β雙重固溶處理過程中不同階段的組織示意圖

(5) 對二次固溶后的樣品進(jìn)行T3溫度的時(shí)效處理，時(shí)效過程中殘留β相會分解形成三次α相，三次α相的尺寸和含量依賴時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間。時(shí)效后的組織示意圖如圖2d所示。

由以上可以看到，這種專門針對三類α相的近β雙重固溶處理，第一重固溶處理可以有效將合金中的一次α相含量控制在最佳范圍內(nèi)。第一重固溶處理后采用空冷方式冷卻，可保證冷卻過程中產(chǎn)生的主要是針片狀α相，而且針片狀α相呈一定集束排列。第二重固溶處理，可以有效地使第一重固溶處理冷卻過程中產(chǎn)生的集束狀排列的針片狀α相長大成為一定尺寸的片層狀α相。同時(shí)，第二重固溶溫度可以保證片層α相的含量在理想范圍內(nèi)(10%～15%)，達(dá)到有效控制次生α相形態(tài)、尺寸和含量的效果。此后，時(shí)效可以有效使第二重固溶處理后殘留的β相分解為形態(tài)明顯有別于二次α相的更細(xì)小尺寸的三次α相。最終形成一種可控的具有15%～20%初生α相、10%～15%次生片層α相、65%～75%的“三次α相+時(shí)效β相”(由于三次α相尺寸過于細(xì)小，無法單獨(dú)統(tǒng)計(jì)含量)的三態(tài)混合組織，這種混合組織具有更為優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。圖3a為該兩相高強(qiáng)鈦合金經(jīng)傳統(tǒng)固溶+時(shí)效處理獲得的該顯微組織，組織是一種典型的雙態(tài)組織，無法區(qū)分二次α相和三次α相。圖3b為經(jīng)近β雙重固溶處理獲得的組織，其中右上角TEM組織顯示三次α相形貌。從圖3b可以明顯看到，一次、二次和三次α相形態(tài)完全不同，各有獨(dú)立的形態(tài)，形成了不同于傳統(tǒng)組織的三態(tài)組織。

圖3 某雙相鈦合金經(jīng)不同工藝熱處理后獲得的雙態(tài)組織和三態(tài)組織

4 結(jié) 語

相對于鋼鐵材料而言，鈦合金金相學(xué)依然是一門年輕的學(xué)科。隨著鈦合金應(yīng)用的發(fā)展，對其顯微組織結(jié)構(gòu)的理解提出了更高的要求，本文在現(xiàn)有知識體系的基礎(chǔ)上，對鈦合金顯微組織結(jié)構(gòu)提出了更細(xì)致的解釋，具體如下。

(1) 提出鈦合金的顯微組織結(jié)構(gòu)(microstructure)分為兩個(gè)方面理解，一個(gè)是形態(tài)學(xué)(morphology)，其對應(yīng)的表述是影像(image)；一個(gè)是結(jié)構(gòu)學(xué)(structure)，其對應(yīng)的表述是相(phase)。這種解析對于工藝(熱加工或熱處理)對鈦合金顯微組織結(jié)構(gòu)的選擇與控制的科學(xué)原理以及鈦合金顯微組織結(jié)構(gòu)分析測試方法的選擇具有基礎(chǔ)的指導(dǎo)意義。

(2) 以形態(tài)學(xué)(morphology)為基礎(chǔ)，提出鈦合金中的α相根據(jù)生成階段的不同，分為一次α相、二次α相和三次α相，或者稱為初生α相、次生α相和時(shí)效α相，這種區(qū)分方法更能清楚地對鈦合金不同組織形態(tài)進(jìn)行區(qū)分和解析，為清楚認(rèn)識鈦合金顯微組織提供了有益的指導(dǎo)。

(3) 基于三類α相的區(qū)分和闡釋，以典型雙相高強(qiáng)韌鈦合金為例，設(shè)計(jì)出一種近β雙重固溶處理工藝，該熱處理可以有效控制一次α相、二次α相和三次α相的形態(tài)和含量，從而形成一種不同于傳統(tǒng)組織的三態(tài)組織。