冷却速率对 TC21合金相变行为的影响

王义红, 寇宏超, 朱知寿, 常 辉, 周 廉, 李金山

(1.西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安 710072;2.北京航空材料研究院,北京 100095）

冷却速率对 TC21合金相变行为的影响

王义红1, 寇宏超1, 朱知寿2, 常 辉1, 周 廉1, 李金山1

(1.西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安 710072;2.北京航空材料研究院,北京 100095）

采用末端淬火法研究了TC21合金自β相区冷却后冷却速率对合金相变和显微组织的影响,对取自末端淬火试样的不同区域试样进行了 OM、XRD、TEM及显微硬度分析。结果表明:冷却速率大于 122℃/s时,β相转变形成正交马氏体 α″,冷速介于 122℃/s和 3℃/s之间时,发生块状转变,冷速继续降低,相变由扩散控制,形成两种不同形貌的魏氏体 α片层:较平滑的α片层和较曲折的α片层;随冷却速率的降低,合金的显微硬度先增大后降低,冷却速率小于 8℃/s后,显微硬度迅速降低。

末端淬火;TC21钛合金;相变;显微硬度

α+β型钛合金具有优异的综合力学性能,它具有强度高、可热处理强化的优点,同时其热加工性能优异,并且具有较好的焊接性能,因此在航空领域常被用作飞机的结构件材料,例如 Ti-6Al-4VELI,Ti-62222S,TC11DT,TC21等。这类合金的设计目的主要是为了提高钛合金的强度和韧性,进而提高合金的损伤容限性[1,2],但是由于 α+β型钛合金的组织及热加工工艺对合金的最终性能影响很大[3,4],因而要获得 α+β型钛合金在不同应用条件下的最佳力学性能,需要掌握该合金在热加工过程中的相变基本规律,尤其是其自高温连续冷却过程中的相变规律,这对优化α+β型钛合金的力学性能至关重要。

TC21合金是我国自行研制的具有独立知识产权的新型两相高强韧钛合金[2],可作为重要的结构钛合金在航空、航天领域应用。国内对该合金的热处理组织和性能关系先后展开了较多研究[5～7],但对该合金在连续冷却过程中发生的相变行为及组织演变并未做过系统研究,为此,本研究主要研究TC21合金以不同冷却速度冷却时,合金发生的相变及组织演变规律,为改善合金的使用性能、制定合理的热处理规范提供理论依据。

1 试验方法

试验用原材料是由西部超导公司提供的TC21合金 φ210mm锻造棒材,其名义成分为 Ti-6Al-2Zr-2Sn-3Mo-2Nb-1Cr,合金的相变点 Tβ为 960±5℃,合金棒材经 900℃固溶 2h,空冷,590℃时效 4h处理。

该试验采用末端淬火法研究 TC21合金在连续冷却过程中发生的相变。从棒材上切取 4个 φ10×40mm试样,沿试样轴向不同位置焊接 5个热电偶,然后用陶瓷棉将试样包裹起来,以保证试样在冷却过程中一维传热。采用计算机连续记录合金冷却过程中不同位置处的温度变化,以获得试样不同位置处的冷却速率。合金首先在 β相区固溶处理(1050℃/30min）,之后对 4个试样分别采用水冷、油冷、氩气冷却、空冷 4种不同冷却方式冷却试样的末端,以得到不同的冷却速率,其最终冷却速率取试样在 900℃的瞬时冷却速率。

末端淬火试样冷却后,自焊接热电偶位置切割试样,即可以得到已知冷却速率下的合金试样。OM分析时,试样经机械研磨、抛光后,采用 HF+HNO3+H2O(1∶2∶5）腐蚀液浸蚀,之后采用徕卡 DM-2500M金相显微镜观察合金以不同冷却速率冷却后的组织变化。XRD分析采用 PANalytical X'Pert PRO型 X射线仪对试样进行相结构分析,以研究冷却速率对合金相变行为的影响,试验条件为:CuKα,管压 40kV,管流 35mA。TEM试样采用双喷电解法制备,电解液为:高氯酸:15ml,正丁醇:100ml,甲醇:200m l,电压 40V,温度 -35℃。采用 HXP-1000TM显微硬度计对试样进行显微硬度测试,以研究冷却速率对合金的显微硬度的影响,试验加载载荷500g,加载时间 20s,每个试样测试 8个点,要求每个点的数值误差为 ±2%,其结果取平均值。

2 结果与讨论

2.1 冷却速率对 TC 21合金相变行为的影响

图1是TC21合金自 β相区以不同冷却速率冷却到室温后的 XRD图谱,从图中可以看出,冷却速率大于 122℃/s时,(TC21合金自 β相区冷却后,）β相转变形成正交马氏体α″,且最终转变组织中残留有微量的 β相。随着冷却速率的降低,TC21合金中 α″相衍射峰强度逐渐减弱,当冷却速率达到 43℃/s时,TC21合金冷却后出现 α相衍射峰,表明此时发生 β→α相变,合金(最终）冷却相由 α,β,α″相组成。随着冷却速率的进一步(继续）降低,合金中的 α,β相衍射峰强度逐渐增大,同时 α″相衍射峰强度(继续）减弱,表明随着冷却速率的降低,合金中 α,β相含量增加,α″相含量减少。当冷却速率降低至 3℃/s以下后,合金冷却后无 α″相形成,β转变直接形成 α相,且随着冷速的降低,α相的衍射峰强度迅速增大,表明α相的含量随冷速的降低而迅速增加,同时合金中残留的 β相含量减少。表 1是 TC21合金自 β相区以不同冷却速率冷却后得到的相组成情况。

2.2 冷却速率对 TC 21合金组织的影响

TC21合金自 β相区以 122℃/s冷却速率冷却后,β相转变形成正交马氏体 α″相,且残留有少量的 β相,如图 2a所示。此时 α″马氏体尺寸较小,α″相由正交方向的马氏体片层组成,马氏体片层具有针状形貌,如图 2b所示,残留 β相如图 2b中白色片层所示。当冷却速率的降低到 43℃/s时,晶内的 β相转变形成 α″,晶界 β相发生块状转变,α相在晶界上优先形核,并在晶界上长大形成少量块状 αm相,如图 2c所示。相对于 122℃/s冷速冷却时,由于此时冷却速度的降低,残留 β相宽度增加,如图2d白色片层所示,白色片层宽度明显增大。选区衍射也证明了 α″和 β相的存在,如图 2e,f所示。随着冷速的进一步降低,αm相在晶界上的形核速率明显增大,晶界 α相向晶内生长,形成位相相同,并互相平行排列的针状组织,αm相体积含量明显增加,马氏体 α″相含量进一步减少,如图 3所示。

表1 不同冷却速率冷却时TC21合金的相组成Table 1 Phase formed of TC21 alloy at different cooling rates

众所周之,块状转变的定义为:成分不改变,通过相界扩散的形核—长大型相变[8],根据此定义,为进一步对 TC21合金中发生的块状转变进行验证,对不同冷却速率冷却后的形成的块状 αm和马氏体进行了定量能谱(EDX）分析,分析结果如表 2所示。由分析结果可知,αm相和 α″相的成分基本相同。表明该转变确实为块状转变。对块状 αm相的晶体学特征及形貌特征进一步分析可知,该转变属于 M.R.PLICHTA所讲述的关于钛合金的 4型竞争型块状转变[9],此块状转变机制发生在较低的转变温度,因此相对于控制平衡 α相生长的体积扩散速率而言,与块状转变有关的相界扩散速率足够高,从而发生块状转变。国外学者对 Ti-Ag,Ti-Au,Ti-Si的研究表明,随着冷却速率的降低,发生在这些合金中的块状转变开始温度逐渐增加[10],这表明随着冷却速率的降低,块状 α相的体积含量逐渐增加,这与本研究所得到的结果一致。

β→αm的块状转变是相对于扩散 α相的形成而言的,当冷却速率降低到 2℃/s时,块状转变消失,α在 β晶界上均匀形核,形成 α片层,如图 4所示。α片层具有两种不同的形貌,第一种是曲折的形貌,如图 4a所示右晶界部分,第二种是平滑的形貌,如图 4a所示上晶界的下半部分。晶界内组织由初生 α,次生 α片层以及残留 β相所组成的网篮组织组成,如图 4b所示。冷却速率降低到 1℃/s后,导致晶界上的魏氏体 α片层进一步向晶内生长,形成典型的网篮魏氏体形貌,如图 4c所示。晶界上曲折形貌的魏氏体 α片层主要在接近 β晶界或 β晶界上形核长大,其主要在低温形成,生长由界面扩散和台阶扩散生长控制[11,12]。而较平滑的魏氏体 α片层主要由普通的晶界 α层生长所形成,其主要在高温由激发形核形成,并由体积扩散控制生长[12,13]。

3.3 冷速对 TC21合金显微硬度的影响

由于冷却速率对 TC21钛合金的相变和显微组织影响很大,因此相应的其显微硬度随冷却速度的变化也发生了很大的变化。图 5是冷却速率对TC21合金显微硬度影响曲线,从图中可以看出,随着冷却速率的降低,TC21合金的显微硬度先升高,冷却速度在 22℃/s时显微硬度达到最大值,之后显微硬度开始降低,冷却速率低于 8℃/s后,TC21合金的显微硬度迅速降低。这是因为当冷却速率降低时,残留 β相含量以及 α相含量增加,α相的析出又使得残留 β相合金化程度提高,这两方面的共同作用使得合金的显微硬度逐渐增大,当冷却速度达到 22℃/s时,显微硬度达到最大值。随着冷却速率的进一步降低,虽然 α相的析出量增加,但 α相片层逐渐长大,这使得合金的显微硬度逐渐降低。当冷却速率低于 8℃/s时,α相迅速长大,导致合金的显微硬度迅速降低。

图4 TC 21合金中形成的魏氏体组织 (a）,(b）2℃/s;(c）1℃/sFig.4 Widmanstättenαformation in TC21 alloy cooled at (a）,(b）2℃/s;(c）1℃/s

表2 TC 21合金的定量能谱分析Table 2 Qualitative EDX analysis of TC21 alloy

图5 冷却速率对TC21合金显微硬度影响曲线Fig.5 Effectof cooling rates on the microhardness of TC21alloys

4 结论

(1）TC21合金自 β相区固溶冷却时,冷却速率大于 122℃/s时,发生马氏体转变,β相转变形成正交马氏体 α″,冷却速率降低,合金中析出 α相,且 α″相含量降低,α,β相含量增加。冷却速率低于 3℃/s时,合金冷却后仅有 α,β相,不再发生马氏体转变。

(2）冷却速率不低于 122℃/s时,合金冷却后由马氏体组织组成,冷却速率降低,β相转变形成块状αm,冷速降低至 2℃/s时,α相形成两种不同的形貌:较平滑的 α片层和较曲折的 α片层。

(3）冷却速率降低,TC21合金显微硬度先增加,在 α相的形态和数量的共同作用下,显微硬度在 22℃/s时达到最大,之后合金显微硬度降低,当冷却速率低于 8/s时,合金的显微硬度迅速降低。

[1]曹春晓.选材判据的变化与高损伤容限钛合金的发展[J].金属学报,2002,38(增刊）:4-11.

[2]曲恒磊,赵永庆,朱知寿.一种高强韧钛合金及其加工方法[P],中国国防专利:申请号 03105965.1,2003-09-30.

[3]LǜTJERING G.Influence of p rocessing on m icrostructure and mechanical properties ofα+βtitanium alloys[J].Materials Science and Engineering(A）,1998,243:32-45.

[4]LǜTJERING Gerd,WILLIAMS James C.Titanium[M],2nd edition,Springer,2007,203-258.

[5]赵永庆,曲恒磊,冯亮.高强高韧损伤容限型钛合金TC21研制[J].钛工业进展,2004(2）:22-24.

[6]张颖楠,赵永庆,曲恒磊,等.热处理对 TC 21合金显微组织和室温拉伸性能的影响[J].稀有金属[J],2004,28:34-38.

[7]费玉环,周廉,曲恒磊,等.两相区热处理对 TC21钛合金显微结构的影响[J].稀有金属材料与工程,2007,36:1928-1932.

[8]PLICHTA M R,WILLIAMSJC,AARONSON H I.On the existence of theβ→αmtransformation in the alloy systems Ti-Ag,Ti-Au,and Ti-Si[J].Materials Transactions(A）,1977(8）:1977-1885.

[9]PLICHTA M R,AARONSON H I,PEREPEZKO JH.The thermodynamics and kinetics of theβ→ αmtransformation in three Ti-X systems[J].Acta Metallurgica,1978,26:1293-1305.

[10]徐祖耀.块状相变[J].热处理,2003,18(3）:1-9.

[11]ENOMOTOM,FUJITA M.Analysis of the composition of αp lates isothermally formed in titanium binary alloys[J].Materials Transactions(A）,1990,21:1547-1556.

[12]MENON E.Sarath Kumar,AARONSON H I,Nucleation,growth,and overall transformation kinetics of grain boundary allotriomorphs of proeutectoid alpha in Ti-3.2 At.Pct Co and Ti-6.6 At.Pct Cr alloys[J].Materials Transactions(A）,1986,17:1703-1715.

[13]AARONSON H,SPANOSG,MASAMURA R A,et al.Sympathetic nucleation:an overview[J].Materials Science and Engineering(B）,1995,32:107-123.

Influence of Cooling Rate on Phase Transformation of TC21 Alloy

WANGYi-hong1,KOU Hong-chao1,ZHU Zhi-shou2,CHANGHui1,ZHOU Lian1,LIJin-shan1
(1.State Key Laboratory of Solidification Processing,Northwestern Polytechnical University,Xi′an 710072,China;2.Beijing Institute of AeronauticalMaterials,Beijing 100095,China）

The effects of cooling rates from elevated temperature on phase transformations in TC21 alloy were investigated by using end quenching.Samp les from different regions(cooling rates）were analyzed by using optical micrograph(0M）,Xray diffractometry(XRD）,transmission electronm icroscopy(TEM）,and Vickersm icrohardness.The results show that cooling rates above 122℃/s result in amartensitic transformation,amassive transformation being observed between 122 and 3°C/s,this ransformation beinggradually replaced by diffusion controlled Widmanst?ttenαformation with decreasing cooling rate.Theseαlayers was of two types,type 1 having a smoother appearance,type 2 having a zig-zagged appearance.With the cooling rates decreasing,themicrohardness of TC21 alloy decreased after increased.When the cooling rateswas smaller than 8℃/s,them icrohardness of TC21alloy decreased dramatically.

end quenching;TC 21 titanium alloy;phase transformation;microhardness

10.3969/j.issn.1005-5053.2010.1.002

TG146.2+3

A

1005-5053(2010）01-0006-05

2009-01-27;

2009-04-24

王义红(1977—）,男,博士研究生,(E-mail）wangyihongp@163.com。