热处理对B2相区等温锻造Ti-22Al-25Nb合金组织和性能的影响

董志国，李 冬，曾卫东，王 伟，梁晓波

(1．中国航发沈阳发动机研究所，辽宁 沈阳 110015)(2．西北工业大学 凝固技术国家重点实验室，陕西 西安 710072)(3．钢铁研究总院，北京 100081)

0 引 言

Ti2AlNb基合金具有比强度较高、密度较低、断裂韧性好、抗氧化性优异以及热膨胀系数低等特点[1]，是可以在650～800 ℃长时间或更高温度短时间使用的极具潜力的合金体系，在航空航天领域具有广阔的应用前景[2]。

Ti2AlNb基合金的显微组织对热机械加工工艺参数非常敏感，如锻造温度、变形量、冷却方式、热处理制度等都会在一定程度上改变合金的显微组织，进而影响其性能。因此，国内外学者在Ti2AlNb基合金热机械加工工艺参数与显微组织、力学性能关系方面开展了大量的研究工作[3-8]。

众所周知，Ti2AlNb基合金在α2+B2两相区或α2+B2+O三相区锻造或轧制后，得到的是等轴组织或双态组织，室温强度和塑性可以达到良好匹配[3-4]。钢铁研究总院和西北工业大学共同提出了在B2相区等温锻造的新工艺，通过该工艺可以使Ti2AlNb基合金获得板条组织。该组织在保持合金良好的室温强度和塑性的基础上，可同时提高合金的高温蠕变性能和断裂韧性[8]。

本研究以B2单相区等温锻造的Ti-22Al-25Nb合金为研究对象，探讨固溶加时效处理对其显微组织演变和力学性能的影响，以期获得使Ti-22Al-25Nb合金室温拉伸强度和塑性综合匹配良好的O相板条组织。

1 实 验

实验用Ti-22Al-25Nb合金铸锭经三次真空自耗电弧熔炼而成，其化学成分见表1。将铸锭首先在B2单相区进行分步降温开坯锻造，之后在α2+B2+O三相区改锻成φ150 mm的棒材。在棒材上截取φ150 mm×150 mm的圆柱，再在B2单相区等温锻造成饼坯，变形量为50%。沿饼坯弦向切取热处理试样，在O+B2相区进行固溶加时效处理，具体制度为：900 ℃×1 h/WC+800 ℃×12 h/FC(编号HT-1)以及960 ℃×1 h/WC+800 ℃×12 h/FC(编号HT-2)。

表1 Ti-22Al-25Nb合金铸锭的化学成分(原子分数/%)Table 1 Chemical composition of Ti-22Al-25Nb alloy ingot

按照国家标准将热处理后的Ti-22Al-25Nb合金制备成12 mm×5 mm的标准拉伸试样和所需的金相试样。每种热处理条件取3个试样，实验结果取平均值。采用Instron 1196拉伸试验机进行力学性能测试；采用扫描电子显微镜(SEM)附带背散射(BSD)进行微观组织分析。

2 结果与分析

2.1 热处理对Ti-22Al-25Nb合金显微组织影响

等温锻造是获得理想显微组织的重要手段之一。图1a为Ti-22Al-25Nb合金棒材在B2相区等温锻造前后的显微组织。由图1a可见，锻造前Ti-22Al-25Nb合金棒材为典型的双态组织，主要由黑色的等轴α2相、包裹等轴α2相的灰色环状O相、灰色的细板状O相和白色的B2基体组成。经过B2单相区等温锻造后，主要由灰色的板条状O相、B2基体，以及极少的片层状α2相组成(图1b)。与等温锻造前的原始棒材组织相比，等轴α2相、包裹等轴α2相的环状O相在B2相区加热过程中溶入B2基体，B2相晶粒尺寸明显增大，在等温锻造后缓慢空冷的过程中析出较粗的板条O相和少量的片层α2相。

图1 Ti-22Al-25Nb合金棒材在B2相区等温锻造前后的显微组织 Fig.1 Microstructures of Ti-22Al-25Nb alloy bars before(a) and after(b) isothermal forging at B2-phase region

B2单相区等温锻造Ti-22Al-25Nb合金经不同热处理制度处理后的金相照片见图2。固溶处理温度不同，Ti-22Al-25Nb合金O相粗板条的形态和含量均发生了明显变化。当固溶温度较低(900 ℃)时，O相板条相对较细较长，含量较多，时效析出的二次O相针状板条数量较少(图2a)；当固溶温度较高(960 ℃)时，部分O相粗板条发生溶解，逐渐变短变粗呈现球化趋势，O相体积分数逐渐减小，B2相体积分数增大，时效析出的二次O相针状板条数量增加(图2b)。因此，固溶温度是影响一次板条O相形貌和尺寸的主要因素。随着固溶温度的升高，一次板条O相逐渐变短变粗呈现球化趋势，且体积分数逐渐减小。在之后的时效过程中，析出的二次针状板条O相数量增加。

图2 等温锻造Ti-22Al-25Nb合金经不同热处理制度处理后的显微组织Fig.2 Microstructures of isothermally forged Ti-22Al-25Nb alloy after different heat treatments:(a)HT-1;(b)HT-2

2.2 热处理对Ti-22Al-25Nb合金室温拉伸性能影响

B2单相区等温锻造Ti-22Al-25Nb合金经不同固溶加时效处理后的室温拉伸性能见表2。从表2可以看出，随着固溶温度的升高，Ti-22Al-25Nb合金的强度提高，塑性略有增加，其中，抗拉强度增加幅度较大，增大了24 MPa，屈服强度增加幅度较小，增大了11 MPa。Ti-22Al-25Nb合金的室温拉伸性能之所以存在这种变化趋势，与固溶加时效过程中的显微组织变化有关。随着固溶温度的升高，一次板条O相的体积分数明显减少，B2相体积分数增加，在相同的时效温度下，固溶温度高的Ti-22Al-25Nb合金会析出更多的二次针状板条O相，这些细小的板条O相可以起到弥散强化的效果[7]，从而使合金的强度提高。

表2 不同热处理制度下Ti-22Al-25Nb合金的室温拉伸性能Table 2 Room temperature tensile properties of Ti-22Al-25Nb alloy after different heat treatments

图3为B2单相区等温锻造Ti-22Al-25Nb合金经不同热处理制度处理后的室温拉伸断口形貌。从室温拉伸的宏观断口形貌(图3a、3c)可以看出，B2单相区等温锻造Ti-22Al-25Nb合金经不同热处理制度处理后，其室温拉伸断口几乎没有宏观颈缩现象，断裂面与拉伸应力垂直，断口相对较平，颜色灰暗，无金属光泽，包含了近似层状排列的解理小刻面，呈现明显的脆性断裂特征，与合金本身的塑性、特别是断面收缩率较低(表2)的试验结果一致。相比较而言，960 ℃固溶处理试样的宏观断口相对凹凸不平(图3c)，塑性略微增加。室温拉伸断口形貌(图3b、3d)微观分析表明，相对较平的解理小刻面放大后，可以观察到微孔状的韧窝，960 ℃固溶处理的韧窝相对较大较深， 小平面呈层状分布特征。

图3 等温锻造Ti-22Al-25Nb合金经不同热处理制度处理后的室温拉伸断口形貌Fig.3 Room temperature fractographs of isothermally forged Ti-22Al-25Nb alloy after different heat treatments:(a)macro-fractograph for HT-1;(b)micro-fractograph for HT-1;(c)macro-fractograph for HT-2;(d)micro-fractograph for HT-2

综上所述，Ti-22Al-25Nb合金板条组织在室温拉伸过程中，以B2相晶粒沿着某个解理面解理或准解理断裂为主，因而在断口上表现出许多近似层状分布的解理小刻面，呈现出脆性解理断裂的特征。裂纹先沿着B2相的某个解理平面扩展，当裂纹扩展遇到较粗的一次板条O相时，裂纹尖端的扩展受阻，被迫向阻力更小的方向扩展。当多个高度不同的裂纹相交时，形成准解理台阶。在Ti-22Al-25Nb合金板条组织中，板条O相的滑移系较少，因而较脆；而基体B2相滑移系较多，塑性较好。此外，在Ti-22Al-25Nb合金室温拉伸过程中，板条O相与基体B2相之间容易产生变形不协调，导致板条O相被切断或被拔出，从而呈现出大小不同的微孔洞[9]。本研究中，当固溶温度升高时，一次板条O相变短变粗，含量减少，B2相含量增多；在随后的时效过程中又以均匀细小的二次针状O相弥散析出，起着弥散强化的作用，因此Ti-22Al-25Nb合金室温拉伸强度提高；而较细的针状O相比较粗的针状O相更容易协调变形，表现为Ti-22Al-25Nb合金的室温塑性略微增加。

3 结 论

(1)B2单相区等温锻造Ti-22Al-25Nb合金在O+B2相区固溶加时效处理后，显微组织主要由一次板条状O相、次生针状板条O相和B2相基体组成。固溶温度的高低主要影响一次板条O相的析出。随着固溶温度的升高，O相逐渐变短变粗，体积分数逐渐减小，呈现球化趋势。

(2)随着固溶温度的升高，B2单相区等温锻造Ti-22Al-25Nb合金强度增加，塑性略微提高。断裂主要是沿B2相晶粒的某个解理面解理断裂或准解理断裂，呈现许多近似层状的解理小刻面，其微观形貌为微孔状的韧窝。

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