TB17钛合金β相区晶粒长大行为

王 哲，王新南，祝力伟，朱知寿

(北京航空材料研究院，北京 100095)

研究与应用

TB17钛合金β相区晶粒长大行为

王 哲，王新南，祝力伟，朱知寿

(北京航空材料研究院，北京 100095)

以新型超高强韧TB17钛合金棒材为研究对象，研究了TB17钛合金β相区晶粒的长大行为。考察了TB17钛合金在不同温度和保温时间的条件下，β晶粒尺寸的变化，通过Beck公式计算了晶粒长大参数，采Arrhenius公式计算了晶粒长大激活能。结果表明，加热温度及保温时间对TB17钛合金β晶粒长大行为具有重要影响。在860～1 045 ℃进行等温加热，TB17钛合金β晶粒等温长大曲线近似符合指数关系，β晶粒长大指数n在0.12～0.23之间。短时保温，β晶粒长大过程中动力学影响因素占主导作用，延长保温时间，动力学影响因素作用降低。TB17钛合金β晶粒长大激活能为48.26 kJ/mol。

TB17钛合金；β晶粒尺寸；晶粒长大激活能

0 引 言

亚稳β钛合金具有较高的比强度、深淬透性、良好的抗腐蚀性能以及优异的冷热成形性，并可通过热处理强化获得优异的强度-塑性-韧性匹配，是一种理想的航空结构件用钛合金材料[1-3]。第一个获得应用的β型钛合金是20世纪50年代末研制的B120VCA，该合金的抗拉强度为1 100 MPa，但延伸率仅为2%，限制了其在飞机上的大量应用。美国、俄罗斯等国家对亚稳β钛合金进行了深入研究，如VT22、Ti-1023、Ti-5553等β型钛合金的抗拉强度水平达到1 200 MPa级别，并已广泛应用于飞机起落架及其他航空结构件上[4-6]。然而，当钛合金抗拉强度超过1 350 MPa时，其塑性、韧性及疲劳性能迅速降低，从而限制其应用。因此有必要对强度达到1 350 MPa级别，并且具有良好强度-塑性-韧性匹配的超高强韧钛合金进行研究，以满足下一代飞机的发展需求。

TB17钛合金是我国具有自主知识产权的一种新型亚稳β钛合金，钼当量为12.3，铝当量为3。该合金具有良好的热变形性能[7]，其固溶时效热处理后的强度可达1 400 MPa，并具有良好的强度-塑性-韧性匹配，是一种发展前景良好的航空结构用超高强韧钛合金。该合金可以通过固溶加时效使其析出细小次生α相进行强化，并且可以通过控制β晶粒尺寸使其强度和塑性达到良好匹配。因此研究不同工艺条件下β晶粒长大规律对提高亚稳β钛合金塑性具有重要意义。本研究考察TB17钛合金在β相区加热时的晶粒长大行为，建立晶粒长大动力学模型，为确定TB17钛合金热加工及热处理工艺规范提供依据。

1 实 验

实验采用经三次真空自耗电弧熔炼的新型超高强韧TB17钛合金铸锭，名义成分为Ti-4.5Al-6.5Mo-2Cr-2.6Nb-2Zr-1Sn。铸锭经β相区开坯和两相区锻造，锻成φ220 mm的棒材。金相法测得相变温度为845 ℃。图1为棒材的显微组织，主要由初生α相和β相基体组成，初生α相均匀分布于β相基体上。

采用线切割方法从TB17钛合金棒材上切取φ10 mm×15 mm圆柱形金相试样，在精度为±3 ℃的箱式电阻炉内按表1方案进行热处理(中间转移过程用时不超过2 s)。随后在车床上去除表面氧化层。金相试样预磨、抛光后,采用V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶2∶7的Kroll腐蚀液进行侵蚀。采用Leica DMI 3000M型金相显微镜进行组织观察。依据GB/T 6394—2002标准中的截线法测量合金的晶粒尺寸。通过Beck公式计算晶粒长大参数，采Arrhenius公式计算晶粒长大激活能。

表1 TB17钛合金棒材热处理方案

Table 1 Experiment scheme for TB17 titanium alloy bar

2 结果及分析

2.1 加热温度对TB17钛合金β晶粒尺寸的影响

图2为TB17钛合金棒材经不同温度保温0.5 h后的显微组织。由于加热温度在相变点以上，初生α相完全消失，并且形成完整的β晶粒。在相同保温时间下，TB17钛合金棒材平均β晶粒尺寸随热处理温度升高而增加。加热温度为860 ℃时，合金的平均晶粒尺寸为200 μm；当加热温度升高到895 ℃时，平均晶粒尺寸仅长大到221 μm；当加热温度升高到945 ℃，合金平均晶粒尺寸长大到290 μm；当加热温度升高到1 045 ℃，平均晶粒尺寸长大到396 μm。晶粒长大是通过大角度晶界移动实现的，而晶界移动的本质是原子迁移，因此所有影响原子迁移的因素均对晶粒长大有影响。随着加热温度升高，原子平均动能增加，较多的晶界原子越过能垒进行扩散迁移，晶粒长大速率增加[8]。

图2 TB17钛合金棒材经不同温度、保温0.5 h水冷热处理后的金相照片Fig.2 Metallographs of TB17 titanium alloy bar heat treated at various temperatures for 0.5 h with water-quench

2.2 保温时间对TB17钛合金β晶粒尺寸的影响

图3为TB17钛合金棒材在895 ℃保温不同时间后的显微组织。可以看出，β晶粒随保温时间的延长而增大。保温0.25 h，平均β晶粒尺寸仅为172 μm；保温0.5 h，平均晶粒尺寸长大到200 μm；保温时间延长到4 h，晶粒长大到316 μm；保温16 h，平均晶粒尺寸达到419 μm。

图3 TB17钛合金棒材经895 ℃、保温不同时间水冷热处理后的金相照片Fig.3 Metallographs of TB17 titanium alloy bar heat treated at 895 ℃ for different hours with water-quench

图4为不同加热温度下，TB17钛合金棒材β晶粒平均尺寸随时间变化曲线。可以看出，相同温度下保温，晶粒尺寸随保温时间延长而增加，这主要是由于随着保温时间延长，合金晶粒得到充分长大。保温时间在0.25～2 h范围内，晶粒快速长大。保温时间超过2 h，晶粒长大速率降低。钛合金β晶粒长大受热力学和动力学同时作用，晶粒长大驱动力来源于总界面能的降低。保温时间较短，细小晶粒存在的大量界面能为晶粒长大提供驱动力，晶界总是朝着曲率中心方向移动，大晶粒不断吞噬兼并小晶粒，造成大晶粒不断长大，小晶粒不断变小并最终消失，晶粒长大速率较快，该阶段动力学因素占主导作用。长时间保温，随着晶粒长大，晶粒储存的界面能降低，晶界表面张力逐渐减小，晶粒逐渐趋于稳定状态，动力学因素也随保温时间延长而逐渐降低，晶粒长大速率缓慢[9-10]。

图4 TB17钛合金棒材β晶粒等温长大曲线Fig.4 The isothermal growth curves of the β grain of TB17 titanium alloy bar

2.3 TB17钛合金β晶粒长大的动力学分析

钛合金在β相区加热，平均晶粒尺寸与保温时间一般采用Beck公式[11]进行描述：

D-D0=ktn

(1)

式中，D为β晶粒平均尺寸，μm；D0为初始时刻β晶粒尺寸，μm；t为加热保温时间，h；n为晶粒长大敏感系数；k为与合金成分和加热温度有关的长大系数。与β相区加热组织相比，初始晶粒尺寸非常小，将其忽略，因此可将Beck公式简化成：

D=ktn

(2)

对公式(2)两边取对数，可得：

lnD=lnk+nlnt

(3)

将统计得到的晶粒尺寸D代入公式(3)中进行线性拟合,得到图5所示的lnD与lnt的线性关系图，并计算得到表2中相关数据。

图5 TB17钛合金棒材的lnD与lnt的线性关系图Fig.5 The linear relationship between lnD and lnt of TB17 titanium alloy bar

Table 2 The value of grain growth at various temperature of TB17 titanium alloy bar

根据相关文献[12]，纯钛在相变点温度以上的晶粒长大指数n为0.5，表2中计算出的TB17钛合金棒材在860～1 045 ℃的晶粒长大指数为0.12～0.22。这主要是由于晶界的内吸附作用，引起合金元素原子在晶界处富集，当晶界移动时，溶质原子发生体扩散，并且体扩散比晶界扩散缓慢的多，因此对晶界形成一定“钉扎”作用，晶界移动驱动力降低，阻碍晶界移动[13]。

热处理温度对金属原子扩散、第二相析出溶解、晶界迁移及晶粒长大均具很大影响，在相同保温时间下，加热温度对晶粒长大的影响可以采用Arrhenius公式[14]进行描述：

k=k0exp(-Q/RT)

(4)

式中，k0为与成分有关的长大系数；Q为β晶粒晶界迁移的长大激活能；R为气体常数，8.314J/mol；T为绝对温度，K。将该公式两边取对数可得：

lnk=lnk0-Q/RT

(5)

由式(5)可以看出，lnk与1/T具有线性关系。因此将表2中相关数据进行线性拟合，得到lnk与1/T之间关系如图6。

图6 TB17钛合金棒材的lnk与10-4/T的线性关系图Fig.6 The linear relationship between lnk against 10-4/T of TB17 titanium alloy bar

由图6中相关数据可以得出，-Q/R=-5 805，因此Q=48.26 kJ/mol。TB17钛合金棒材在β相区加热，β晶粒长大激活能为48.26 kJ/mol，远小于β钛合金自扩散激活能168 kJ/mol，并且小于常用钛合金的晶粒长大激活能[15-16]，表明该合金在β相区加热具有较高的温度敏感性，易于长大。因此，TB17钛合金棒材在β相区加热时须严格控制加热温度及保温时间，避免形成粗大晶粒造成“组织遗传”，影响其锻件使用。

3 结 论

(1)TB17钛合金棒材在β相区加热时，随着加热温度及保温时间的延长，平均晶粒尺寸呈长大趋势，并且与保温时间呈指数关系；随着保温时间延长，晶粒长大速率减小。

(2)TB17钛合金棒材β晶粒长大受热力学和动力学综合因素影响，保温时间较短，动力学因素占主导作用，随着保温时间延长，动力学因素作用降低，热力学因素起主导作用。

(3)在本实验条件下，TB17钛合金棒材晶粒长大指数在0.12～0.22之间，小于纯钛在相变温度以上晶粒长大指数，且β晶粒长大激活能为48.26 kJ/mol。

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Grain Growth Behavior inβSingle Phase of TB17 Titanium Alloy

Wang Zhe，Wang Xinnan，Zhu Liwei，Zhu Zhishou

(Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China)

Theβgrain growth behavior was investigated on a new high strength and high toughness TB17 titanium alloy bar. Theβgrain evolution of TB17 titanium alloy at various heat treatment temperature and time has been studied. The grain growth exponents were calculated by Beck equation and grain growth activation energy was calculated by Arrhenius equation. The results show that the heat treatment temperature and time have significant effect on theβgrain growth of TB17 titanium alloy. The heat treatment temperatures range from 860 ℃ to 1 045 ℃, the kinetics ofβgrain growth curves approximate fit the exponential relationship. Theβgrain growth exponents range from 0.12 to 0.23. Heat treated for short time, the kinetics factors are main influence for theβgrain growth, while long time heat treatment the kinetics factors effect decrease. Theβgrain growth activation energy is 48.26 kJ/mol.

TB17 titanium alloy;βgrain size; grain growth activation energy

2016-09-06

总装预研加强项目(51312JQ01)

朱知寿(1966—)，男，研究员。

TG146.2+3

A

1009-9964(2016)06-0011-05