Ti-6Al-4V 组织相变研究进展

许明方，陈玉华，陈伟，邓怀波，季迪

（南昌航空大学 航空制造工程学院 江西省航空构件成形与连接重点实验室，南昌 330063）

钛及钛合金是伴随着航空工业快速兴起的一种重要结构金属，具有密度小、比强度大、热稳定性好、耐蚀性良好以及焊接性能优异等优良特点[1—2]。有观点认为，钛合金的用量与航空装备先进性是正相关的[3]，钛是继钢铁、铝之后又一种重要的结构材料，尽管钛的工业化生产只有半个世纪，但钛及钛合金现在被广泛应用于航空航天、化工及生物医学等领域[4]。

1 钛合金分类及Ti-6Al-4V 组成

在室温下，钛合金微观结构按其化学成分和含量可分为5 大类，即α钛合金、近α钛合金（β相质量分数小于 10%）、α+β钛合金（β相质量分数为10%～50%）、亚稳定β钛合金和β钛合金[1,5]。对于α+β钛合金，Ti-6Al-4V 是使用最广泛的。Ti-6Al-4V 钛合金是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工、淬火和通过时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50%～100%；高温强度高，可在400～500 ℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金。

Ti-6Al-4V 包含体积分数为15%左右的β相，平衡温度约800 ℃。在室温下α相占主导地位，但当其加热到高于β转变温度，大约998 ℃时[6]，会作为单独的β相存在。当α+β钛合金从β相变温度以上淬火冷却至室温后，只有少量的β相保留（体积分数小于10%）。其中铝（Al）是α稳定元素，通过固溶强化增加合金的强度和稳定α相。钒（V）是β稳定元素，除了稳定β相，还大大提高了其室温延展性。β稳定元素的添加可以延缓α相的形成，促进β相转变为马氏体，或使组织始终维持在β相。通过β和α稳定元素的加入，使得α相和β相获得了平衡且良好的力学性能，同时，可以通过控制稳定元素的含量来改变相变温度[6]，所以Ti-6Al-4V 合金具有较高的强度、延展性、疲劳性和断裂性能。

图1 钛合金分类示意图[7]Fig.1 Classification diagram of titanium alloy

2 Ti-6Al-4V 马氏体相变

高温β相由不同的冷却速率冷却至室温时，可以转变为几种不同类型的α相形态。马氏体相变是一种无扩散、无置换的相变[5]，是晶体通过切变方式由一种结构转变为另外一种结构，是由界面迁移控制的固态相变，可以通过高冷却速率实现。

纯钛加热到882.5 ℃时会发生α→β转变，合金化后该转变温度将随合金元素的性质和含量而变化。钛合金加热转变的主要特点在于α→β转变的体积变化小（约0.17%），相变应力值低，且因体心立方β相自扩散系数高，故转变迅速，不易过热。在α+β钛合金中，β相向α相转变极大地影响最终的微观结构，从而决定材料的最终性能。根据合金成分和冷却速度的不同，bbc-β→hcp-α阶段会发生马氏体相变，或通过扩散相变控制形核和生长过程。Burgers 首次在锆[8]中研究得到了hcp-α向bcc-β转变时具有某种取向关系，后来在钛合金中证实了这种关系，因此这种关系也被称为伯格斯取向关系（BOR，Burgers orientation relationship）。即：{110}βbcc||{0002}αhcp&＜

由于晶体的对称性，这种关系决定了在一个β晶粒内可以形成12 种晶体学取向的α相，即12 个α相变体[9—11]，形成何种取向的α相是随机的，即无变体选择。但是在实际材料中，由于各种复杂因素的存在，这一微小空间的原始母相在发生β→α相变时受该处周围环境的影响，会造成某一个α相变体更容易形成。从热力学角度来说，形成这一α相变体所造成的系统能量降低会更多，即发生了变体选择。从表象上来说，实际上是α相的局部择优取向生长[12]。

α′是β相以非扩散转变形成的过饱和非平衡六方晶格α相，根据合金元素含量的区别，α′有两种典型形貌，袋状（Packet）或针状（Acicular）。T.Ahmed和H.J.Rack[14]通过采用末端冷淬法对Ti-6Al-4V 进行相变组织研究发现，当冷却速率达到525 ℃/s 时，β相将转变为α′相，并通过TEM 观察得到α′相由较长的针状形态并且互相垂直的马氏体板和亚结构组成，亚结构主要包含位错和堆垛层错，少数马氏体板含有孪晶。

图2 α 相和β 相之间的伯格斯取向关系（BOR）[13]Fig.2 Burgers relationship between α and β (BOR)

3 竞争扩散型相变β→αm

一般认为，块型转变（Massive transformation）是热激活的，遵循形核和生长规律。新相通常在母相的晶界发生形核。块型相变虽是以原子不相协作方式，但通过非共格界面进行短程扩散后，母相即直接形成同成分新相，因此，块型转变具有无扩散相变的某些特点，但又不同于马氏体相变，即不是马氏体。

Ahmed 和Rack[14]通过研究发现，Ti-6Al-4V 在中等冷却速率下存在β→αm的块型转变。块型转变后形成的αm组成仍然与母相β相同，只是晶体结构从bcc→hcp 发生变化。Plichta[15—16]等分别对 Ti-Ag,Ti-Au 和Ti-Si 的共析体连续冷却，证实了由于α相的扩散限制生长使得这种转变通常发生在一个足够低的温度。两者表明在高冷却率下，块状α优先在β晶粒边界形核，紧随其后的是β晶粒边界附近形成板条状马氏体，最后在β晶粒内部形成独立的板条状马氏体，αm出现不规则晶界沉淀且具有严重的位错结构。

4 扩散控制相变

扩散相变是通过较慢的冷却速率实现，如炉冷或空冷，较慢的冷却速率给予晶粒充分的形核和生长，并且其中涉及到溶质的分区。原始β晶粒中的不规则αGB、初生α集束（primaryα，αp）和魏氏α组织（Widmanstättenα）都是由扩散控制相变的。

当钛合金在β相变点上以相对较慢的冷却速度冷却时，α相优先在原始β晶界形核，形成连续或间断的层，即晶界α（Grain boundaryα，αGB）。Banerjee等[17]通过对Ti-8Al-xV 进行激光近净成形实验，得出了间断αGB层出现的主要原因是由于较快的冷却速率和较多的β稳定元素。

在β相冷却区域，α相依附原始β晶界形核，因为晶界的存在能够作为一个有效的形核位点。Bhattacharyya 等[18]和Stanford 等[19]分别通过对Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 在β相变点以上后缓冷使其发生扩散转变，研究结果表明重要的变量选择是发生在扩散转变，对原始β晶界上产生的α变体的研究表明，变体在转化过程中的选择高度依赖于这些原始晶界。在大多数情况下，αGB总是与原始β晶粒表现出一定的伯格斯取向关系。

随着冷却时间的增加，在原始β晶粒中，魏氏组织（Widmanstätten）开始以大量的片层状即α集束形式从αGB开始生长，且始终保持伯格斯取向关系。初生α集束由高纵横比的α片层组成。每个α片层彼此平行排列，同时与相应的母相β晶粒保持一定方向。β晶粒内初生α集束逐渐形核并保持生长，直到与另一侧的初生α集束相遇。从另一方面看，这可能属于伯格斯关系的不同变体。随着冷却速率增加，部分α片层宽度变窄的同时数量也在减少，这使得集束的规模也在减小。

在较高的冷却速率下，由于驱动力的增加，α的形核不仅发生在晶界，还包括晶粒内部的α片上。最后，原始晶界基本破碎，α片或α+β小片短而歪曲，并具有较小的纵横比，α集束交错排列，形成网篮组织[1]。

图3 扩散控制相变顺序示意图[16]Fig.3 Schematic illustration of the transformation sequence of diffusion controlled phase

5 新方法在研究Ti-6Al-4V 微观组织的运用

随着科技的不断进步，越来越多的先进设备被广泛用于研究，如EBSD（电子背散射衍射，Electron Backscattered Diffraction）技术和实验与数学模型相结合的方法逐渐兴起。目前，EBSD 技术已经能够实现全自动采集微区取向信息，如织构和取向差分析、晶粒尺寸及形状分布分析、晶界/亚晶及孪晶界性质分析、应变和再结晶的分析等。G.C.Obasi 等[13]通过向Ti-6Al-4V 中加入质量分数为0.4%的钇，并运用EBSD 技术印证了伯格斯理论的成立以及证实了α集束是从αGB上形核和生长。Stanford 等[19]通过EBSD研究发现当从室温加热到β相变点时，Ti-6Al-4V 中的β相从已有的β相继续外延生长，而不是形核生成新的β晶粒（尽管织构将被晶粒长大所改变）。Biswaranjan Dash 等[20]利用EBSD 定位成像显微镜得到了亚稳定β钛合金中母相晶界三结处（Triple junctions）相的形成与母相的晶界处形成的α相一样，三结处的α相也与相邻的3 个晶粒中的一个形成伯格斯取向关系。SEMIATIN 等[21]通过在Ti-6Al-4V 上进行精心控制的感应加热试验，并结合基于扩散控制生长的数学模型，该建模方法测定了初生α相的体积分数和冷却过程中形成的次生α相的形核位点以及生长行为，笔者通过这一手段验证了建模方法的有效性。

王栋等[22]基于集成计算材料工程的思想，提出了CAPHAD 和相场模拟的临界实验方法，这一方法有助于设计具有超细和均匀沉淀组织的新一代钛合金（合金化学和工艺条件），从而可能大大改善性能平衡。在这种方法中，合金的发展将以计算模型为主导，以便快速发现传统的试错方法可能已经错过的新型合金。

6 结论

总结了α+β钛合金组织相变的研究情况，得到了不同冷却速度下Ti-6Al-4V 内部微观组织，并提到了EBSD 技术在钛合金微观组织中的应用以及实验与数学模型相结合的研究的兴起，为以后钛合金微观结构和相变的研究提供了新的研究思路和方法。