TB8钛合金晶粒长大行为的研究

周 伟，辛社伟，葛 鹏，李 倩，陈 军

(西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)



TB8钛合金晶粒长大行为的研究

周 伟，辛社伟，葛 鹏，李 倩，陈 军

(西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

研究了TB8钛合金冷轧板材在不同热处理温度和不同保温时间下的晶粒长大行为。结果表明：TB8钛合金冷轧板材在820～880 ℃的温度范围内不存在晶粒急剧粗化的现象，可以在此区间内的温度下对其进行热处理，保温时间根据温度的不同可在30～120 min范围内选择。此外，借助Beck方程和Arrhenius方程分别计算得到该合金的晶粒生长指数(n)为0.25～0.35，β晶粒长大激活能(Q)为273.23 kJ/mol。

TB8钛合金；晶粒长大； 激活能；晶粒生长指数

0 引 言

TB8钛合金(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si)是一种新型亚稳β型高强钛合金，该合金具有优异的成形性、深的淬透性、良好的抗腐蚀能力，并且具有良好的焊接性能和高温性能，是一种理想的航空结构材料[1-4]。

由于钛合金的β晶粒尺寸对材料的强度、塑性、韧性和抗腐蚀性等性能有着至关重要的影响[5]，为此，研究了TB8钛合金在不同热处理温度和保温时间下的晶粒尺寸变化规律，以期为该合金热处理工艺的优化提供理论依据。

1 实 验

实验选用厚度为3 mm的TB8钛合金冷轧板材，化学成分(w/%)为：Mo 15.56，Nb 2.62，Al 2.74,Si 0.23，Fe 0.02，O 0.082，C 0.006，H 0.001，N 0.012，余量为Ti。其原始加工态显微组织见图1。

图1 TB8钛合金冷轧板材的原始加工态显微组织Fig.1 Initial microstructure of cold-rolled TB8 titanium alloy plate

从板材上线切割切取尺寸为15 mm×15 mm的金相试样。热处理实验在箱式电阻炉中进行，热处理温度为800～880 ℃，保温时间为30～120 min。为了保留合金的高温组织，用水淬的方式进行冷却。采用OLYMPUS光学电子显微镜观察显微组织，晶粒尺寸用截线法测量。

2 结果与讨论

2.1 显微组织演变

图2为TB8钛合金冷轧板材试样经过不同温度、不同保温时间处理后的显微组织。一般情况下，β晶粒的长大分为再结晶形核和粗化两个阶段[6]。由图2可见，800 ℃保温30 min(图2a)后，试样再结晶不完全，正处于再结晶形核阶段；820 ℃保温30 min(图2b)后，试样已完全再结晶，且晶粒大小均匀，平均晶粒尺寸约为50 μm。进一步提高温度，再结晶晶粒呈增大趋势。例如，温度为840、860、880 ℃(图2c～e)时，平均晶粒尺寸分别增大了5、10、20 μm。虽然平均晶粒尺寸随着加热温度的升高而增大，但是变化相对较小，这说明该合金在实验温度范围内不存在晶粒急剧粗化的现象。由图2还可以看出，相同的热处理温度，随着保温时间的增加，平均晶粒尺寸增大，但是增大趋势渐缓。例如880 ℃保温30、60、90、120 min(图2e～h)时，平均晶粒尺寸分别为70、85、95、100 μm，这说明TB8钛合金冷轧板材在高温时具有较好的抗晶粒粗化能力。

图2 TB8钛合金冷轧板材经不同温度、不同时间热处理后的显微组织Fig.2 Microstructures of cold-rolled TB8 titanium alloy plate at different heat treatments

图3 TB8钛合金冷轧板材平均晶粒尺寸随保温时间和热处理温度变化的曲线Fig.3 Variation of grain size of cold-rolled TB8 titanium alloy plate at various heat treatments

由图3可以看出，保温时间相同时，热处理温度越高，平均晶粒尺寸越大；热处理温度相同时，随着保温时间的延长，平均晶粒尺寸增大，但晶粒长大的速率渐缓。

2.2 晶粒长大规律

采用Beck方程[7]对TB8钛合金冷轧板材的晶粒长大过程随时间变化的动力学规律进行描述，其中，Beck方程如公式(1)所示。

(1)

对(1)式两边求对数得到公式(2)。

(2)

图4 TB8钛合金冷轧板材的关系曲线Fig.4 The curves of ln and lnt for cold-rolled TB8 titanium alloy plate

当保温时间一定时，可以利用Arrhenius方程[8]描述TB8钛合金冷轧板材热处理温度与晶粒长大的关系，其中Arrhenius方程如公式(3)所示。

(3)

式中，B为常数；Q为晶粒长大激活能，J/mol；R为气体常数；T为绝对温度，K。

对(3)式两边取对数得到公式(4)。

(4)

图5 TB8钛合金冷轧板材的关系曲线Fig.5 The curves of ln and 1/T for cold-rolled TB8 titanium alloy plate

由图5可见，各条曲线近似平行,说明该合金晶粒长大激活能Q是唯一的。通过拟合直线的斜率得到实验温度范围内TB8钛合金冷轧板材晶粒长大激活能(Q≈273.23 kJ/mol)高于纯钛的β相自扩散激活能(Qβ=166 kJ/mol)[9]。这主要是由于固溶的Mo、Nb原子在晶界的钉扎作用抑制了晶粒的长大。

3 结 论

(1) TB8钛合金冷轧板材在800～880 ℃范围内不存在晶粒急剧粗化的现象，880 ℃时仍具有较好的抗晶粒粗化能力，因此该合金的热处理温度可在800～880 ℃，保温时间根据温度的不同可在30～120 min选择。

(2)由于溶质原子对晶界移动的阻碍效应，使TB8钛合金在820～880 ℃的热处理温度下的晶粒生长指数n=0.25～0.35，小于纯钛的晶粒生长指数。

(3)在820～880 ℃对TB8钛合金进行热处理，合金的β晶粒长大激活能为273.23 kJ/mol，其值高于纯钛的β相自扩散激活能，主要是由于固溶的Mo、Nb原子在晶界钉扎作用抑制了晶粒的长大。

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Research on Grain Growth Behavior of TB8 Titanium Alloy

Zhou Wei，Xin Shewei，Ge Peng，Li Qian，Chen Jun

(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016, China)

The grain growth behavior of TB8 titanium alloy plate was investigated under different heating temperature and holding time. The results show that the cold-rolled plate of TB8 titanium alloy can be heat treated in the range of 820 ℃ to 880 ℃. The grain rapid coarsening phenomenon does not exist in the above temperature range, and the holding time can be chosen in the range of 30 min to 120 min with different temperatures. Grain growth exponent (0.25～0.35) and grain growth activation (273.23 kJ/mol) are also calculated by Beck and Arrhenius equations.

TB8 titanium alloy; grain growth; activation energy; grain growth exponent

2014-06-19

陕西省科技统筹项目(2014KTCQ01-38)

周伟(1978—)，女，高级工程师。