熱處理工藝對近α鈦合金組織與性能的影響

孫 鵬，孫瑞琦，王偉龍，崔文芳

（東北大學1.材料科學與工程學院，沈陽110819；2.材料各向異性與織構教育部重點實驗室，沈陽110819）

近α鈦合金具有密度低、耐蝕性好、無磁、透聲等優良特性，以及比強度高、良好的焊接性和熱穩定性、較高的蠕變強度和高溫瞬時強度等加工性能和力學性能，成為建設海洋強國的重要戰略材料，廣泛應用于艦船設備制造，在提高艦船機動性的同時可以確保其可靠性和安全性［1－4］.

熱處理工藝對近α鈦合金組織與性能影響顯著，熱處理參數的變化可以影響α相、β相及次生α相的形態、尺寸和體積分數［5］.固溶和時效是鈦合金主要的熱處理強化方式，固溶后的冷卻過程中形成亞穩相，通過后期時效過程亞穩相分解析出次生α相，結合改變等軸初生α相的分布和體積分數達到強韌化的目的［6－7］.針對固溶和時效對鈦合金組織與性能的影響，周燁等［8］研究表明TA19合金α′相時效析出α相的尺寸受時效溫度的影響較大，合金經960℃固溶2 h后隨著時效溫度的升高，抗拉強度先升高后降低，當合金經960℃固溶2 h，590℃時效8 h后，抗拉強度1 240 MPa，伸長率10.9%；陶歡等［9］研究表明TA10合金隨著固溶溫度的升高，初生α相含量減少，亞穩相含量增多，合金的強度升高，當合金經800℃固溶30 min，500℃時效2 h后，屈服強度377 MPa，抗拉強度510 MPa，伸長率26.7%，強度和塑性達到良好匹配；冀宣名等［10］研究表明TA12合金的強度隨固溶溫度的升高而升高，隨時效時間的延長先升高后降低.由此可見，固溶時效工藝參數對鈦合金影響顯著，而其對新型Ti-5Al-2Nb-2Zr-1.5Mo合金組織與性能的影響規律尚未見報道，因此需要根據實際合金的特點開展深入研究.

Ti-5Al-2Nb-2Zr-1.5Mo合金是在Ti80合金基礎上設計的一種中等強度艦船用近α鈦合金，為深入挖掘該材料潛在性能，本文采用不同的熱處理制度，研究固溶和時效溫度對其顯微組織和硬度的影響，測試合金的室溫拉伸性能，旨在優化熱處理工藝，為改善鈦合金的力學性能提供依據.

1 實驗材料與方法

實驗合金鑄錠采用3次真空自耗電弧熔煉、鑄錠經β單相區開坯、α+β兩相區終鍛和熱軋等工序制成厚度為7 mm的板材，化學成分如表1所示.通過差式掃描量熱法并結合金相法測定其α+β→β相轉變溫度為（980±10）℃.圖1為熱軋態實驗合金RD-TD橫截面顯微組織，由圖可知，組織由等軸和長條狀的初生α相和片層間少量的β轉變組織組成.

表1 Ti-5Al-2Nb-2Zr-1.5Mo合金鑄錠化學成分（質量分數）Table 1 Chemical composition of Ti-5Al-2Nb-2Zr-1.5Mo alloy ingot（mass fraction） %

圖1 Ti-5Al-2Nb-2Zr-1.5Mo合金原始顯微組織Fig.1 The as-received microstructure of Ti-5Al-2Nb-2Zr-1.5Mo alloy

將熱軋態實驗合金板材切割成小樣品，首先在880，920和960℃保溫1 h后水冷進行固溶處理，然后選擇960℃／1 h／水冷的樣品在400，500和600℃保溫4 h進行時效處理.熱處理后的試樣采用OLYMPUS GX71型光學顯微鏡進行顯微組織形貌分析，試樣腐蝕劑比例為V（HF）∶V（HNO3）∶V（H2O）＝1∶3∶6.采用SMARTLAB型X射線衍射儀（Cu靶）進行物相結構分析，掃描速度為5°／min.采用JSM-6510A型鎢燈絲掃描電子顯微鏡（SEM）和JEM-2100型高分辨透射電子顯微鏡（TEM）進行精細組織形貌分析.采用401MVDTM型數顯顯微維氏硬度計進行硬度檢測，載荷為200 g，保壓時間為10 s.對固溶時效后的樣品采用AG-Xplus250KN型電子萬能試驗機進行室溫拉伸性能測試，恒定拉伸速率為1 mm／min，標距為20 mm.

2 實驗結果及討論

2.1 固溶溫度對顯微組織的影響

圖2為實驗合金經固溶處理后的顯微組織圖.由圖可知，當固溶溫度為880℃時，初生α相合并長大，形成細小的再結晶等軸α相，尺寸約為1μm.當固溶溫度為920℃時，等軸α相長大，尺寸約為2～3μm.當固溶溫度為960℃時，等軸α相進一步長大，尺寸約為4～5μm，由于溫度接近β轉變溫度，β相體積分數增多，在固溶后的快速冷卻過程中出現α′馬氏體相和β轉變組織.

圖2 經固溶處理的Ti-5Al-2Nb-2Zr-1.5Mo合金顯微組織Fig.2 Microstructure of Ti-5Al-2Nb-2Zr-1.5Mo alloys solution treated

圖3為實驗合金經960℃固溶處理后的XRD圖譜圖.由圖可知，只存在α相的衍射峰，說明近α鈦合金在接近相變點的溫度固溶處理，β相以切變的方式轉變為六方馬氏體α′相，而α′相與α相的衍射峰幾乎完全重合，故XRD圖譜上只能觀察到α相的衍射峰.

圖3 經960℃固溶處理的Ti-5Al-2Nb-2Zr-1.5Mo合金的XRD圖譜Fig.3 XRD pattern of Ti-5Al-2Nb-2Zr-1.5Mo alloy solution treated at 960℃

圖4為實驗合金經960℃固溶處理后的SEM和TEM顯微組織圖.由圖可知，亞穩相中可以看到針狀馬氏體α′相，Ti-5Al-2Nb-2Zr-1.5Mo合金元素含量較少.在透射電鏡下，六方馬氏體α′相呈現板條狀形貌，包含有密集的位錯.鈦合金中馬氏體轉變是一種切變相變，在轉變時，亞穩相中的原子作集體的有規律的近程遷移，遷移距離較大時，形成六方結構α′相；遷移距離較小時，形成斜方結構α″相.實驗合金固溶處理后，亞穩相析出α相的過程來不及進行，且合金含β相穩定元素含量較少，晶格的轉變阻力較小，原子位移較大，點陣改組能夠進行到底，在冷卻過程中通過非擴散切變得到六方結構α′相.

圖4 經960℃固溶處理的樣品顯微組織形貌Fig.4 Microstructure of specimen solution treated at 960℃

經測定實驗合金固溶處理后試樣的顯微硬度可知，隨著固溶溫度從880℃升高至960℃，維氏硬度從254上升到299.進一步證明了固溶溫度越高，固溶度越大，保留到室溫時相的過飽和程度也就越大，而馬氏體α′相的硬度高于初生α相，固溶溫度越高形成的α′相越多，導致材料硬度的提高［11］.

2.2 時效溫度對顯微組織和硬度的影響

上述實驗表明：固溶溫度越接近α+β相變點，由高溫β相轉變的α和α′相含量越多，時效過程中可轉變的次生α相數量越多，故選用960℃固溶溫度進行后續研究.圖5為實驗合金固溶處理后經過不同溫度時效的SEM顯微組織圖.由圖可知，初生α相的體積分數和形態基本相同，但是亞穩相時效后分解的程度呈現明顯的區別.在400℃時效時，亞穩相與時效前相比幾乎沒有變化，只能看到亞穩相中有少量針狀α相的存在；在500℃時效時，亞穩相的襯度發生變化，在其內部可以看到針狀和片層狀的次生α相，說明此時合金元素擴散加劇，部分α′相已開始分解，析出次生α相；在600℃時效時，可以清楚地看到亞穩相已經被徹底分割，α′相轉變成次生α相和β相，同時，次生α相發生了聚集長大.

圖5 經時效處理的Ti-5Al-2Nb-2Zr-1.5Mo合金SEM顯微組織Fig.5 SEM images of the aged Ti-5Al-2Nb-2Zr-1.5Mo alloy

圖6為實驗合金固溶處理后經不同溫度時效后的TEM組織圖.在400℃時效后可以看到板條狀α相和次生α相，其中板條狀α相的寬度約為200 nm.在500℃時效后可以看到α相有兩種形態，一種是寬度約為300～400 nm的片層狀α相，另一種是寬度在100 nm以下細小針狀α相，且相互平行的α片層內含有一定數量的位錯，可以同時發現分布在α相板條之間和板條內部的次生α相.當這種組織結構發生塑性變形時，大量次生α片層界面和原有位錯能強烈阻礙新生位錯的滑移，由此提高合金硬度和強度.而在600℃時效后可以發現片層間針狀α相的尺寸明顯增大，在較高的時效溫度下，析出的次生α相會聚集長大，合金的強度和硬度會有一定下降［12－13］.

圖6 經時效處理的Ti-5Al-2Nb-2Zr-1.5Mo合金TEM顯微組織Fig.6 TEM images of Ti-5Al-2Nb-2Zr-1.5Mo alloys aged at different temperatures

圖7為Ti-5Al-2Nb-2Zr-1.5Mo合金在不同固溶溫度和不同時效溫度下的顯微硬度.由圖可知，在960℃固溶后合金的HV隨著時效溫度的升高呈上升趨勢，在時效溫度為500℃時達到峰值為374.隨著時效溫度進一步上升，合金的硬度逐漸下降，在600℃時效后HV為304.其原因為六方馬氏體α′相在時效過程中分解出次生α相的彌散強化作用對硬度影響顯著，時效溫度越高，原子擴散能力越強，六方馬氏體α′相分解出的次生α相也越多，硬度也就隨之增大.但是進一步提高時效溫度，合金的硬度反而降低，其原因是此時六方馬氏體α′相分解已經完成，次生針狀α相開始粗化，彌散強化效果下降.時效溫度過高時，次生α相粗化較快，接近平衡態組織，合金的硬度明顯下降.

圖7 經時效處理的Ti-5Al-2Nb-2Zr-1.5Mo合金的顯微硬度Fig.7 Microhardness of Ti-5Al-2Nb-2Zr-1.5Mo alloy aged at different temperatures

2.3 固溶和時效處理對力學性能的影響

根據對材料熱處理后顯微組織及硬度測試結果，發現在960℃固溶、400～500℃時效4 h后材料具有較高的硬度，因此選取960℃固溶后400，500，600℃時效4 h這3個熱處理條件對材料進行力學性能檢測.

圖8為合金經960℃固溶和不同溫度時效4 h后的拉伸強度和塑性對比圖.隨著時效溫度的升高，材料的抗拉強度和屈服強度都有了明顯的提升，在500℃時達到了峰值.抗拉強度從軋態的871 MPa提升到了982 MPa，上升了約12.7%；屈服強度從軋態的700 MPa提升到了874 MPa，上升了約24%.但當時效溫度上升到600℃時材料的抗拉強度和屈服強度均有略微下降.相反，材料的塑性隨著時效溫度的升高有了明顯的下降，在500℃時達到了谷底，延伸率由15%下降到了6.1%，斷面收縮率由30%下降到了18.6%，但當溫度上升600℃時材料的延伸率和斷面收縮率均有提高，分別為6.9%和28%.其原因為在500℃時效后，六方馬氏體α′相分解轉變成細小彌散分布的針狀次生α相，兩相界面增多，位錯不能夠輕易繞過α相，即位錯的運動變得更加困難，引起強度升高.繼續升高時效溫度至600℃，次生α相長大，由細小針狀長大到粗大棒狀，彌散針狀次生α相的減少，合金中兩相界面面積減少，強化效果減弱，強度下降而塑性有所提升.

圖8 固溶時效處理后實驗合金板材強度和塑性Fig.8 Mechanical properties at room temperature of the alloy after solutioning and aging treatment

3 結 論

（1）Ti-5Al-2Nb-2Zr-1.5Mo合金原始熱軋態組織在α+β兩相區固溶處理后，隨固溶溫度的升高，α和β相晶粒尺寸粗化，α相體積分數減少，亞穩β相比例增大，同時亞穩β相分解出針狀α′馬氏體.

（2）鈦合金的硬度隨固溶溫度升高而增加.時效溫度通過影響α′相分解析出次生α相的尺寸、數量及分布方式影響合金的力學性能，經960℃固溶，500℃時效4 h后合金的維氏硬度達到峰值374.

（3）與熱軋態相比，固溶和時效后合金的抗拉強度和屈服強度均明顯提升，在960℃固溶500℃時效時達到了峰值，屈服強度為874 MPa，抗拉強度為982 MPa.時效處理后α′相分解得到彌散的次生α相和β相，顯著提高材料的強度，但同時降低了塑性.