一种新型β钛合金不同固溶冷却条件下初生α相演变行为研究

周 伟，葛 鹏，赵永庆，2，辛社伟，李 倩，陈 军，张思远，黄朝文，2

(1.西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)(2.西北工业大学，陕西 西安 710072)



一种新型β钛合金不同固溶冷却条件下初生α相演变行为研究

周 伟1，葛 鹏1，赵永庆1，2，辛社伟1，李 倩1，陈 军1，张思远1，黄朝文1，2

(1.西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)(2.西北工业大学，陕西 西安 710072)

对西北有色金属研究院研制的新型 Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe系β钛合金在α+β相区固溶，经不同条件冷却后初生α相的演变行为进行研究。结果表明：当冷却速率为0.05 ℃/min时，初生α相为近球形，呈现球状生长的特征，且晶粒尺寸随着冷却时间的延长没有明显增加；当冷却速率为0.005 ℃/min时，部分初生α相端面出现“叉型”结构定向生长，呈现片层结构特征，α相平均等效直径随冷却时间的延长连续增大，形状因子越来越偏离最初的0.9，不均匀生长越来越加剧。

β钛合金；热处理；初生α相；演变

0 引 言

钛合金由于具有比强度高、抗裂纹扩展和抗疲劳性能优良等优点，成为性能优异的航空结构材料[1-3]。与α+β型钛合金相比，β型钛合金强化热处理后具有更高的强度及良好的强-韧性匹配，因此，β型钛合金在航空航天领域的应用越来越广泛，更高强度的β钛合金开发和研究也越来越受到世界各国的重视[4-6]。

西北有色金属研究院从合金电子理论[7]出发，利用合金元素价电子结构参数来预测元素的强韧化效应，成功研制出一种具有强度、塑性、韧性良好匹配的新型 Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe系高强β钛合金。该合金热处理后可以获得1 400 MPa以上的超高强度，可用做大型飞机的关键承力件。

众所周知，β钛合金的组织对热处理条件很敏感，性能主要取决于其组织。如何优化显微组织使合金获得最优性能匹配是人们一直在研究的问题。β→α转变是钛合金中最基本的一种相变[8]，β钛合金热处理后的性能主要取决于从β相中析出的α相的形态与分布。固溶处理后初生α相的形貌决定了合金的塑性，时效处理中残余β相转变生成的次生α相尺寸决定了合金的强度[9]。因此，研究显微组织变化规律对合理制定热处理制度具有重要的指导意义。本实验研究了新型Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe系钛合金在α+β相区固溶，并采用不同条件冷却后初生α相的形貌演变特征，旨在为制定合适的热处理工艺参数提供参考依据。

1 实 验

实验材料为经α+β两相区锻造得到的新型Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe系β钛合金棒材。采用金相法测得合金α-β转变温度为(880±5)℃。

沿棒材的轴向切取原始组织观察及热处理的试样。固溶处理的制度为：870 ℃×1 h/WQ。初生α相的演变行为研究试验如下：

(1)将试样加热至870 ℃，保温1 h，然后分别以0.05、0.005 ℃/min的速率炉冷至850 ℃，之后水冷;

(2)将试样加热至870 ℃，保温1 h，然后分别以0.05、0.005 ℃/min的速率连续炉冷2、4、6、8、10 h，之后水冷。

热处理在可调节箱式电阻炉内进行。热处理后试样经过磨光和抛光处理，在Kross’腐蚀液[10]中腐蚀。在OLYMPUS PMG3金相显微镜上观察棒材横截面的金相组织，利用金相图像分析技术测量初生α相晶粒面积A、周长L。采用平均等效直径D(D=2(A/π)1/2)和形状因子Q(Q=4πA/L2)来描述初生α相的球化和细化程度[11]。

2 结果与讨论

2.1 不同冷却速率下初生α相的演变行为

图1a为棒材的锻造态组织。其中暗灰色区域为残余β转变组织，细小弥散分布的白色球状组织为初生α相。图1b为棒材在870 ℃保温1 h、水冷的显微组织。主要由细小初生α相及β基体组成。

图1 新型Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe系β钛合金锻态及固溶态的金相照片Fig.1 Metallographs of new Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe β titanium alloy in forged and solution states

图2 不同冷却速率下新型Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe系β钛合金的金相照片Fig.2 Metallographs of new Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe β titanium alloy with different cooling rates

新型Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe系β钛合金在870 ℃保温1 h，再分别以0.05、0.005 ℃/min的速率冷却至 850 ℃后水冷，其金相照片示于图2。

从图2可以看出，从870 ℃冷却至850 ℃的过程中，等轴状初生α相优先长大，形貌随冷却速率的不同而出现明显的差别。当冷却速率为0.05 ℃/min时，初生α相为近球形，呈现球状生长的特征；当冷却速率为0.005 ℃/min时，部分初生α相保持近球状生长，而另有部分α相近球状生长的稳定性条件被破坏，α相端面出现 “叉型”结构定向生长，最终呈现片状结构特征。

当冷却速率较高时，合金元素来不及扩散，α相晶粒内元素浓度的宏观均匀性将抑制端部生长速率和非稳态萌生，这时整个α相晶粒界面各处条件近似相同，因而向近似球状生长。当冷却较缓慢时，根据生长界面动力学效应[12]，晶体倾向于向界面能低的晶面发展，由于各个晶面长大速度的不同导致晶体生长失稳，从近球状演变为片状结构。

2.2 不同冷却时间下初生α相的演变行为

新型Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe系β钛合金在870 ℃保温1 h，再分别以0.05 ℃/min和0.005 ℃/min的速率连续冷却2、6 h后水冷，其金相照片示于图3。

图3 不同冷却速率、不同冷却时间下新型Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe系β钛合金的金相照片Fig.3 Metallographs of new Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe β titanium alloy with different cooling rates and cooling time

由图3可见，当冷却速率较高时(0.05 ℃/min)，随着冷却时间的延长，等轴状初生α相的尺寸没有明显增加；这是因为初生α相的长大是通过元素扩散来实现的[13]，随着冷却时间的延长，温度降低，原子扩散困难，初生α相的长大也比较困难。相比之下，当冷却速率较低时(0.005 ℃/min)，增加冷却时间，初生α相明显长大。如冷却时间为6 h时的片层结构的初生α相尺寸，明显大于冷却2 h的，见图3c、3d。

图4 新型Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe系β钛合金在不同的冷却速率下初生α相形状因子和平均等效直径与冷却时间的关系曲线Fig.4 Relationship between cooling time, shape factor and the equivalent diameter of primary α phase in new Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe β titanium alloy with different cooling rates

图4是新型Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe系β钛合金在不同冷却速率下，初生α相形状因子和平均等效直径与冷却时间的关系曲线。从图中可以看出，合金固溶后以较高的速率冷却时，初生α相的平均等效直径变化不大，冷却2、4 h的小于3 μm，冷却6、8、10 h等于或略大于3 μm。且形状因子也变化不大，均在0.9上下浮动，表明初生α相细小且球化程度较好。降低冷却速率可明显改变初生α相的形貌，初生α相随着冷却时间的延长由均匀分布的细小近球状，演变成片状结构。由图4低冷却速率下的关系曲线可以看出，随着冷却时间的延长，初生α相的平均等效直径连续增大，在冷却10 h时达到11 μm。形状因子越来越偏离最初的0.9，表明α相球化效果越来越差，“叉型”定向生长的趋势越来越明显，不均匀生长越来越加剧。

3 结 论

(1)新型Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe系高强β钛合金在α+β相区保温1 h后采用较高速率冷却时(0.05 ℃/min)，初生α相为近球形，呈现小平面球状生长的特征。当冷却速率为0.005 ℃/min时，部分初生α相保持近球状生长，而另有部分α相球状生长的稳定性条件被破坏，α相端面出现“叉型”结构定向生长，最终呈现片层结构特征。

(2)当冷却速率较高时(0.05 ℃/min)，初生α相球化程度较好，尺寸随着冷却时间的延长没有明显增加；当冷却速率较低时(0.005 ℃/min)，初生α相随着冷却时间的延长由均匀分布的细小近球状演变为片层结构，初生α相平均等效直径随冷却时间的延长连续增大，形状因子越来越偏离最初的0.9，不均匀生长越来越加剧。

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Study of Primary α Phase Transformation in a New Beta Titanium Alloy with Different Cooling Conditions

Zhou Wei1,Ge Peng1,Zhao Yongqing1,2, Xin Shewei1,Li Qian1, Chen Jun1, Zhang Siyuan1,Huang Chaowen1,2

(1.Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi’an 710016, China)(2.Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072, China)

The primaryαphase transformation of Ti-Al-Cr-Mo-W-Fe titanium alloy during different cooling processes within theα+βtwo-phase region was investigated. This newβtitanium alloy was developed by Northwest Institute for Nonferrous Metal Research. The results show that the growth character of primaryαphase is globular and the size growth of globular crystals with the cooling time expand is not large when the cooling rate is 0.05 ℃/min. But the growth character of primaryαphase is fork type structure and the equivalent diameter with the cooling time expand is large, the shape factor is more deviated from 0.9 and the uneven growth is more intensified when the cooling rate is 0.005 ℃/min.

βtitanium alloy; heat treatment;primaryαphase;transformation

2016-02-24

国家自然科学基金项目(51471136)；国家国际科技合作项目(2015DFA51430)

周伟(1978—)，女，教授级高工。

TG146.2+3

A

1009-9964(2016)04-0022-04