冷却速度对TC2钛合金板材β淬火组织的影响

杨晓康，康 彦，王 兴，舒 滢，邢秋丽，杨永福，唐 进

(西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201)

冷却速度对TC2钛合金板材β淬火组织的影响

杨晓康，康 彦，王 兴，舒 滢，邢秋丽，杨永福，唐 进

(西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201)

通过水淬+空冷复合的方式，实现了在一个试样上淬火的冷却速度从水淬到空冷的不同，进而研究了冷却速度对TC2钛合金板材β淬火组织的影响。结果表明，β淬火时冷却速度不同，使得淬火后合金的金相组织存在较大的差别，进而对成品板材的组织产生影响。TC2合金板在热轧过程中获得了球状-纤维状的混合显微组织，水淬+空冷复合试样的水淬部分均发生马氏体转变，但转变的进程有所不同，水淬+空冷复合试样的空冷部分均为片状组织，随着冷却速度的降低，α片丛明显长大，α片宽度变大。淬火的延迟会导致板材显微组织不均匀。

TC2钛合金；淬火；冷却速度

0 引 言

TC2钛合金是一种低强度、高塑性的近α型钛合金，含有4%α稳定元素Al和1.5%β稳定元素Mn。合金在室温平衡状态下由α相和少量β相组成，β相的含量一般为2%～4%。该合金因具有良好的工艺塑性和热稳定性，在航空航天工业中获得了广泛应用[1-3]。

TC2钛合金板用做飞机零件时采用冷成形加工，因此对其组织和性能有较高的要求，防止在冷变形过程中出现变形不均的问题[4-6〗。为满足TC2钛合金飞机零部件冷成形的要求，要求其组织为均匀细小的等轴组织。

采用β淬火是消除TC2钛合金板材异常组织的有效方法。但在生产实践中，由于板材尺寸较大的情况下进行淬火时，板材的一端已经入水，而另一端一定会延迟一定的时间才能入水。为了考察这种延迟对板材淬火组织的影响，本研究通过水淬+空冷复合的方式，模拟生产实际中的淬火过程，进而研究冷却速度对TC2钛合金板材β淬火组织的影响。

1 实 验

利用真空自耗电弧炉，采用一次真空、二次充氩的熔炼工艺，制备出φ420 mm的TC2钛合金成品铸锭，其相变点为975±10 ℃。铸锭在大吨位快锻机上锻造成厚度为200 mm的板坯，利用西部钛业有限责任公司2 800 mm热轧机经二火轧制成11 mm厚的TC2钛合金板材。沿板材轧制方向截取金相试样，之后对板材进行760 ℃退火处理。退火后沿板材轧制方向取金相试样，沿板材横向截取尺寸为25 mm×25 mm×600 mm的水淬+空冷复合处理试样。然后再对板材进行β淬火，淬火后进行后续工艺轧制，得到TC2钛合金成品板材。再在成品板β淬火时先入水一端及最后入水端取金相试样。

水淬+空冷复合处理是将试样加热到1 000 ℃，保温一段时间，温度均匀、热透后迅速再将试样一端浸入水中，而试样另一端仍在空气中冷却。用奥林巴斯金相显微镜观察板材热轧态轧向显微组织，760 ℃退火态轧向显微组织，水淬+空冷复合处理试样1～5号部位(图1)的显微组织以及成品板β淬火时先入水一端及后入水端的显微组织。

图1 TC2钛合金β淬火处理及取样示意图Fig.1 Sketch of β quenching treatment sample of TC2 titanium alloy

2 结果与分析

2.1 热轧态及退火态组织

图2为TC2钛合金板材热轧态沿轧制方向的显微组织和TC2钛合金板材在760 ℃退火后的显微组织。从图2中可以看出，合金在热轧过程中产生了塑性变形，获得了球状-纤维状的混合显微组织，在层状(α+β)基体上分布着初生α相，部分为等轴状，部分为拉长的纤维状。其中等轴状的初生α相为未参与变形的α晶粒，具有扁球形状；而纤维状α晶粒为没有发生再结晶的α相受轧制变形所形成的。在760 ℃下退火后，显微组织没有发生大的变化，仍然是双态状显微组织，但在层状(α+β)基体上可观察到有细小的等轴α晶粒出现。纤维状α晶粒依然存在，这种纤维状组织会导致板材存在各向异性。

图2 TC2钛合金热轧板的显微组织Fig.2 Microstructures of hot rolled TC2 titanium alloy plate

2.2 淬火态组织

为了控制β晶粒的尺寸，试样在1 000 ℃，也就是相变点以上30～50 ℃进行短时保温后淬火。图3为水淬+空冷复合处理的试样部位1和部位2的显微组织，入水时间的间隔约为10 s。

图3 TC2钛合金热轧板β水淬后的显微组织Fig.3 Microstructures of β quenched TC2 titanium alloy plate

二者的金相组织照片均显示发生了马氏体转变，但转变的进程有所不同。图3a为立即水淬状态，可观察到从晶界析出了隐约可见、断续的α相。图3b可观察到晶界析出的α相增加，晶界逐渐连接。无法在光学显微镜下观察到清晰的显微组织特征。

图4为试样在液面处即部位3的显微组织，其冷却速度远小于水淬，可观察到晶界已由断续状态转变形成连续的三角晶界，晶内开始析出α片丛。

图4 TC2钛合金热轧板β水淬后液面处的显微组织Fig.4 Microstructure of β quenched TC2 titanium alloy plate at water level

试样空冷部分的部位4和部位5的显微组织如图5a、b所示，均为片状组织，可以观察到较粗大的原始β晶粒， 且沿β晶界出现明显α镶边，β晶粒被分割成由α片层组成的束。

图5a中试样位置靠近液面，冷却速度较慢，可观察到在晶粒内部形核并长大的独立的α片丛，已出现明显的α镶边。而图5b中试样位置远离液面，冷却速度最慢，显微组织主要是由从晶界向晶内生长的位向相同、相互平行的长条状α组织组成，晶界处的α镶边明显变宽。

2.3 分析与讨论

钛合金的相变具有以下特点: 新相和母相存在严格的取向关系,在冷却过程中,α相以片状或针状有规则的析出;由于β相中原子扩散系数大,钛合金的加热温度超过相变点后,β相的长大倾向特别大,极易形成粗大晶粒。钛合金加热到β相区后冷却,随冷却速度的不同,其相变过程也不同。β相在快速冷却(淬火)时，因合金成分的不同，β相可以转变为马氏体等亚稳定相。钛合金的马氏体相变属无扩散型相变，在相变过程中不发生原子扩散，只发生晶格重构，具有马氏体相变的所有特点。即bcc的β相通过无扩散相变过程完全转变为hcp的α相，生成亚稳的细小盘状或针状马氏体组织。其动力学特点是转变无孕育期，瞬间形核长大，转变速度极快，每个马氏体瞬间长到最终尺寸。其热力学特点是马氏体转变的阻力很大，转变时需要较大的过冷度，而且马氏体转变的持续进行只能在越来越低的温度下进行。如图3所示，先进行水淬的部分由于过冷度大，马氏体转变的阻力较小，马氏体转变进行充分。随着冷却速度的降低，晶界α析出明显，且形成三角晶界，晶内开始析出α片丛，严格来说已不属于马氏体转变。β相在慢速冷却(炉冷或空冷)时，α相的析出过程是一个形核和长大的过程，形核位置、晶核数量、长大速率与合金的成分及冷却条件有关。研究表明[7-8]，α片的宽度和α片层的大小均随着冷却速度的提高而降低，但α片的宽度和α片层的大小在不同的冷却速度区间发生变化。α片宽度的变化主要发生在空冷和炉冷之间，而α片层大小的变化主要发生在水淬和空冷之间。图4显示在冷却速度较快时，有α片丛出现但其尺寸较小。而图5a表明，随着冷却速度的降低，α片丛明显长大。冷却速度再降时，如图5b所示，α片宽度变大，晶界处α镶边明显变宽。

2.4 成品板组织

图6所示为淬火时出现延迟入水现象的TC2钛合金成品板材两端的金相组织。图6a为淬火时入水较快一端的成品板组织，入水时间约为10 s，冷速较快，接近水淬。金相观察显示为均匀细小的等轴组织。图6b为淬火时冷却速度较慢的成品板组织，入水时间约为40 s，冷速较慢，接近空冷。完全再结晶的等轴晶粒与平行于轧制方向的条状晶粒呈层状分布，为不均匀的金相组织。由于板材淬火时冷却速度的降低，晶界α析出现象明显，且形成三角晶界，同时晶内开始析出α片丛。进而在随后的轧制变形过程中，析出α片丛的区域和其余的区域的组织变化是不一样的，受变形率限制，晶内析出的α相被完全破碎较困难，造成两种组织呈层状分布的现象。

图6 TC2钛合金热轧板β淬火+轧制后成品板的显微组织Fig.6 Microstructures of finished TC2 titanium alloy plate after β quenching and rolling

3 结 论

(1)水淬+空冷复合试样的水淬部分均发生马氏体转变，但转变的进程有所不同。随着冷却速度的降低，断续的晶界α相析出量增加，晶界逐渐连接。无法在光学显微镜下观察到清晰的组织特征。

(2)水淬+空冷复合试样的空冷部分均为片状组织，随着冷却速度的降低，α片丛明显长大，α片宽度变大。晶界处α镶边逐渐变宽。

(3)板材淬火时入水延迟的一端由于接近空冷，成品板金相组织不均匀，呈层状分布；而淬火时入水较快一端的成品板组织由于冷速较快，接近水淬，金相观察显示为均匀细小的等轴组织。

[1] 曹春晓.航空用钛合金的发展概况[J].航空科学技术,2005(4):3-6.

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[4] 辛社伟，赵永庆.钛合金固态相变的归纳与讨论Ⅳ——钛合金热处理的归类[J].钛工业进展，2009，26(3)：26-29.

[5] 张慧儒．两相钛合金热加工组织与织构演变的研究进展[J].广州化工.2011，39(4)：36-37,54.

[6] 沙爱学，李兴无，曾卫东,等.钛合金β区加热保温时间的研究[J].航空材料学报．2010，30(4)：8-11.

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乌克兰2013年1—11月钛白粉出口量下跌3.4%

2013年1—11月，乌克兰钛白粉出口量为12.18万吨，较2012年同期下跌3.4%。其中，乌克兰苏梅化学工业公司钛白粉出口量下降至3.03万吨，较2012年同期减少了5 400 t，而克里米亚钛白粉公司出口量略有提高，为9.03万吨，较2012年同期增加了1 000 t。德国取代俄罗斯成为2013年1～11月乌克兰最主要的钛白粉出口国，2013年前11个月出口量为2.42万吨，而去年同期为2.25万吨。

郭薇编译自MRC Data Scope网

Effect of Cooling Rates on Microstructure of TC2 Titanium Alloy Plate Quenched above theβ-transus Temperature

Yang Xiaokang,Kang Yan,Wang Xing,Shu Ying,Xing Qiuli,Yang Yongfu,Tang Jin

(Western Titanium Technology Co., Ltd.,Xi’an 710201, China)

The effects of cooling rates on microstructure of TC2 titanium alloy plate quenched above theβ-transus temperature were studied in this paper.The results show that the different microstructures and properties are generated by cooling rates and it will finally affects the microstructure of finished products. TA2 titanium alloy plate gains spherical and fibrous microstructure after hot rolling.Rapid quenching leads to a martensitic transformation but the transformation progress are various. Slow cooling from theβphase field resulted in pure lamellar microstructures,and theαlamellar become coarser with reduced cooling rates.So the delay of quenching caused the inhomogeneous of microstructure of TC2 titanium alloy plate.

TC2 titanium alloy;quenching;cooling rate

2013-01-18

杨晓康(1982—)，男，工程师。