熱處理對高鈮Ti AI基合金組織與性能的影響
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趙成志 張賀新 金天文 余嬌嬌姜鑄航
（哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，超輕材料與表面技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室）
摘要高鈮Ti AI合金的鑄態(tài)組織，粗大不均勻，有少量B2相，長條狀硅化物和硼化物沿晶界析出，使合金的室溫塑性強(qiáng)度和斷裂韌度降低。研究了均勻化處理和循環(huán)熱處理等熱處理方式對Ti-45Al-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2Si組織的影響。結(jié)果表明，采取均勻化處理，隨爐加熱到1 200℃，保溫24 h，空冷，再循環(huán)熱處理，快速加熱到1 150℃，保溫4h，空冷，循環(huán)3 次可獲得理想的顯微組織。
關(guān)鍵詞 T1-45Al-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2Si;熱處理；顯微組織
中圖分類號 TG113.25；TG146. 23 DOI：10. 15980/j．tzzz. 2016. 05. 002
y-Ti AI基合金是一種理想的輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強(qiáng)度高、比剛度高、高溫性能好、抗氧化性和耐蝕性優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，使用溫度高達(dá)700～1 000℃，可以應(yīng)用于航空、航天及船舶等領(lǐng)域。但是，由于其室溫塑性差、難加工成形等，限制了其廣泛應(yīng)用。在Ti Al基合金成分的基礎(chǔ)上，添加較高含量的N b可使Ti Al基合金的室溫屈服強(qiáng)度達(dá)到800 M Pa，760℃下的高溫強(qiáng)度可達(dá)550 M Pa，同時不影響其室溫伸長率，并能大幅提高合金的抗氧化性。高鈮Ti Al基合金鑄態(tài)顯微組織粗大且不均勻，沿晶界析出B2相以及長條狀硅化物和硼化物，這些都將會導(dǎo)致合金室溫塑性、強(qiáng)度和斷裂韌度降低。通過均勻化處理和循環(huán)熱處理使材料在固態(tài)轉(zhuǎn)變過程中形成細(xì)小均勻的片層組織，從而可以改善Ti Al基合金的室溫脆性和高溫抗氧化性。本課題對Ti-45Al-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2Si合金在不同熱處理工藝下的組織進(jìn)行了分析，探討了該新型Ti Al合金的熱處理工藝對組織演變規(guī)律的影響。
1試驗材料及方法
設(shè)計了Ti-45AI-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2Si高鈮合金，并采用Thermo- calc軟件對其相圖進(jìn)行了分析。按設(shè)計合金摩爾比成分進(jìn)行配料，并采用真空非自耗鎢氬弧熔煉設(shè)備重復(fù)熔煉獲得鑄態(tài)Ti-45Al-8Nb-0.5 W-0. 8B-0．2Si合金鑄錠，鑄錠宏觀形貌及微觀組織見圖1和圖2。
可以看出，合金中晶粒尺寸粗大，晶粒由不同取向的片層組織構(gòu)成，晶內(nèi)是相互平行的兩相組成的片層組織，片層平直，厚度均勻。熔煉6次后比熔煉4次得到的晶粒更加細(xì)小，晶界更明顯，晶界處有少量的條狀析出物，經(jīng)XRD檢測分析，為），相、B2相和Laves相，晶內(nèi)片層明顯細(xì)化，組織更加均勻。一般來說，具有細(xì)小鋸齒狀晶界（晶粒尺寸<300μ m）的全片層組織的Ti Al基合金各方面性能比較優(yōu)良，因此后續(xù)均通過6次重熔，并期望通過進(jìn)一步熱處理工藝獲得到細(xì)小鋸齒狀晶界的全片層組織。
Ti Al基合金快速加熱可以減少應(yīng)力集中，提高固溶效果，所以采用快速加熱循環(huán)熱處理。
根據(jù)Thermo-Calc軟件計算可知，Ti-45Al-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2S1合金的共析溫度Te=1 022℃，a單相區(qū)轉(zhuǎn)變溫度Te=1 363℃，試驗熱處理工藝見表1。
其中空冷是將石英封閉管從爐中取出，待表面紅熱退去后，破壁使其中的合金試樣加快冷卻速度；50℃水冷是將石英管取出迅速放入50℃溫水中，破壁，加快冷卻速度；爐冷即石英管在爐中自然冷卻至室溫。
2 試驗結(jié)果與討論
2.1 均勻化處理加熱溫度對合金組織的影響
對Ti-45Al-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2Si合金分別進(jìn)行工藝A、工藝B熱處理，均勻化熱處理后的顯微鏡組織見圖3。由圖3可以看出，兩種工藝處理后試樣表面均有一層薄的銀白色氧化層且表面無裂紋。與合金鑄態(tài)組織相比更為細(xì)小和均勻；工藝B熱處理后的組織相對工藝A來說，片層晶界更加明顯，且沿片層邊界析出較多的顆粒狀物。均勻化處理有利于促進(jìn)B2相的析出。可見，提高固溶溫度后空冷，可以得到更均勻的組織。
2.2均勻化處理冷卻方式對合金組織的影響
均勻化處理冷卻方式對合金T1-45Al-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2Si組織的影響見圖4。熱處理工藝分別為工藝B、工藝C、工藝D、工藝E，加熱溫度均為1 200℃，保溫24 h，冷卻方式分別為空冷、50℃水冷、轉(zhuǎn)800℃爐后空冷、爐冷。
從圖4b可見，材料表面變色，試樣表面出現(xiàn)裂紋；工藝D和工藝E的試樣表面均有薄銀白色氧化層，表面無裂紋，見圖4c和圖4d。由圖4可以看出，工藝B的試樣片層組織比較均勻、細(xì)小，沿晶界析出B2相顆粒狀物；而工藝C的試樣析出少量的顆粒狀物，片層不夠細(xì)化，且試樣出現(xiàn)裂紋；工藝D的試樣片層晶團(tuán)較粗大，沒有達(dá)到細(xì)化的目的；工藝E的試樣析出了較多的大顆粒狀物，對性能不利。由此可見，Ti-45Al-8Nb-0.5W-0. 8B-0. 2Si合金均勻化處理工藝在隨爐加熱到1 200℃，保溫24 h，空冷時，微觀結(jié)構(gòu)較為理想。
2.3 循環(huán)熱處理循環(huán)次數(shù)和保溫時間對合金組織的影響
對Ti-45Al-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2Si合金分別進(jìn)行工藝F、工藝G和工藝H下熱處理的顯微組織見圖5。其中1 150℃高于共析溫度100℃以上，800℃低于共析溫度。在共柝溫度上下反復(fù)熱處理，有利于改變固溶與時效方式，從而影響合金組織。
工藝F和工藝G的循環(huán)加熱溫度不同，從圖5a和圖5b可以看出，前者中沿晶界析出顆粒物較多，而析出條狀物較少，而后者析出顆粒狀物較少，但沿晶界和晶內(nèi)分布大量的條狀y相Ti Al析出物，這與循環(huán)溫度較低有關(guān)。顆粒狀物對組織細(xì)化有利，而條狀物不利于組織進(jìn)一步細(xì)化，可見循環(huán)溫度均在共析溫度以上，有利于細(xì)化晶粒和片層組織。
工藝F和工藝H的循環(huán)保溫時間和循環(huán)次數(shù)不同，從圖5a和圖5c比較看出，后者的顯微組織更均勻、細(xì)小，沿晶分布顆粒狀析出物，而前者相對晶粒較粗大，且組織不夠均勻，可見當(dāng)循環(huán)保溫時間提高時，減少循環(huán)次數(shù)不僅不影響組織的細(xì)化，反而會促進(jìn)片層晶團(tuán)的細(xì)化。
2.4循環(huán)熱處理冷卻方式對合金組織的影響
對Ti-45Al-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2Si合金分別進(jìn)行工藝H和工藝I熱處理，分析了循環(huán)熱處理冷卻方式對其微觀組織的影響。工藝H和工藝I均是在1 150℃保溫4h，循環(huán)3次，不同的是工藝H最后一次轉(zhuǎn)入800℃爐中，保溫30 min后空冷，而工藝I直接空冷，見圖6�？梢钥闯�，工藝H和工藝I熱處理后材料均為細(xì)小均勻的片層組織，工藝I處理后的片層組織晶界更清晰，析出相較少，片層組織分布均勻；而工藝H熱處理后材料析出了大量的塊狀物( y/a2)，片層組織特征弱化，接近于雙態(tài)組織�？梢姽に嘕直接空冷熱處理更有利于細(xì)小均勻的片層組織獲得，析出的彌散分布的顆粒狀物（Laves、Ti5Si3、Ti3B4和TiB2）有利于提高合金的室溫強(qiáng)度和塑性。
2.5 不同熱處理工藝下的硬度變化下Ti-45AI-8Nb-0. 5W-0. 8B-0.
2SiT1-45Al-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2Si合金鑄態(tài)和不同熱處理態(tài)下的硬度見圖7。
可以看出合金在鑄態(tài)下的硬度最高，均勻化處理后使合金組織均勻化的同時也使硬度降低，有利于提高合金的塑性和韌性。對比合金在50℃水冷、空冷、爐冷下硬度依次降低，說明冷速越快，硬度越高。在經(jīng)過工藝B處理后，除了工藝G使合金的硬度上升外，工藝F、工藝H、工藝I均使合金的硬度下降，其中工藝J的硬度下降最多，說明在共析線溫度上下做循環(huán)熱處理不利于降低合金的硬度，而在共析線溫度以上做循環(huán)熱處理有利于降低合金的硬度，其中工藝I在獲得均勻細(xì)小的片層組織的同時，硬度下降的最多，說明片層晶團(tuán)間析出相會使硬度下降。鑄錠經(jīng)過工藝I處理后，硬度(HRC)約下降10，合金在熱處理細(xì)化組織、消除偏析、析出相的同時，降低了硬度，有利于提高合金的綜合力學(xué)性能，改善合金室溫脆性。
2.6 Ti-45AI-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2Si合金熱處理后的成分組成變化
高鈮Ti-45Al-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2Si合金鑄態(tài)和工藝I熱處理后的XRD衍射圖譜見圖8�？梢钥闯�，高鈮Ti Al基合金經(jīng)過工藝，處理仍是由y-Ti Al相、a2 -Ti3 Al相和p(B2)相組成。y-Ti Al相占據(jù)主要峰位，峰強(qiáng)較高且峰位數(shù)較多，為主要相；a2-Ti3Al相也占據(jù)了一些峰位，單獨(dú)成峰或與p(B2)相共用一條峰，同為主要相，但含量要明顯少于y-Ti AI相；口相沒有單獨(dú)成峰，或是與y-Ti Al相共用一條峰，或是與a：-Ti3AI相共用一條峰，含量較少。經(jīng)過工藝I處理后的合金與鑄態(tài)合金XRD圖峰位差別不大，但y-Ti Al相的峰強(qiáng)增強(qiáng)，單獨(dú)成峰或與其他合金相共用一條峰的數(shù)量均增多，表明y-Ti Al相的含量有較大的提高；其次，a2-Ti3Al相的峰強(qiáng)減弱，單獨(dú)成峰或與其他合金相共用一條峰的數(shù)量均減少，表明a2 -Ti3Al相的含量大幅下降，進(jìn)而a2/y的體積分?jǐn)?shù)降低，這與熱處理減少a2相和促進(jìn)y相的析出有關(guān)；另外，B2相的峰位數(shù)明顯減少，因此B2相的含量明顯減少，這與熱處理消除鑄態(tài)組織的顯微偏析有關(guān)，減少B2相，有利于提高合金的塑性和韌性。
3 結(jié) 論
(1)采用Themo-calc軟件設(shè)計并熔煉制備了Ti-45Al-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2Si高鈮Ti Al基合金鑄錠，通過優(yōu)化循環(huán)次數(shù)、保溫時間和冷卻方式等參數(shù)研究了不同熱處理方式對Ti-45Al-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2Si合金組織的影響。
(2)均勻化處理，隨爐加熱至1 200℃，保溫24 h，空冷，再循環(huán)熱處理，快速加熱到1 150℃，保溫4h，空冷，循環(huán)3次后獲得的材料具有良好的細(xì)化組織，并具有合適的硬度。
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