新型钛合金连续加热过程中的相变研究

费 跃，王新南，朱知寿，商国强，李 静，祝力伟

(北京航空材料研究院，北京 100095)



新型钛合金连续加热过程中的相变研究

费 跃，王新南，朱知寿，商国强，李 静，祝力伟

(北京航空材料研究院，北京 100095)

采用热膨胀法和金相法研究了以5 ℃/min的加热速率连续加热某Ti-Al-Mo-Cr-Zr-Si系新型钛合金过程中的相变过程、组织演变规律以及α相→β相的转变速率。结果表明：该合金连续加热过程中，在280～505 ℃温度范围内，板条状α相逐渐长大，且含量逐渐增多，发生β→α相变；在505～610 ℃温度范围内，板条状α相变细、变短，发生由短程扩散控制的α→β相变，此阶段温度对α相→β相的转变速率影响不大；在610～930 ℃温度范围内，板条状α相含量明显减少，直至消失，发生由长程扩散控制的α→β相变，此阶段α相→β相的转变速率随着温度的升高明显加快，当温度达到900 ℃时，α相→β相的转变速率逐渐减缓。

新型钛合金；连续加热；相变；显微组织

0 引 言

高减重、长寿命和低成本是新一代飞机设计与应用中遵循的目标。钛合金以其良好的综合性能而成为国内外航空用材料研究的焦点[1-2]。目前，北京航空材料研究院已成功研发出一种Ti-Al-Mo-Cr-Zr-Si系新型α+β两相钛合金。该合金经过热处理后，具有良好的强度(抗拉强度Rm≥1 000 MPa)-塑性(延伸率A5≥10%)-韧性(断裂韧度KIC≥60 MPa·m1/2)-疲劳性能(当应力集中系数Kt=1，应力比R=0.1，疲劳寿命N=107周时，疲劳极限σD≥700 MPa)的匹配，易于加工成形[3-5]。

钛合金组织特征强烈依赖于其热处理参数，而合金的组织演变又取决于合金在热处理过程中复杂多样的相变过程，不同的热处理参数会使合金中相的种类、数量、形貌、尺寸、分布等不同，从而引起性能的变化[6-10]。了解和掌握钛合金中的相变规律，运用这些规律调整热处理工艺参数来改变合金组织，从而挖掘合金的性能潜力是极为重要的，并且对于新型钛合金的设计和开发具有重要的指导意义。对钛合金而言，合金中α相和β相的点阵常数及点阵结构不同，使得膨胀系数不同，在连续加热过程中，若发生固态相变，必然会发生试样体积、长度和热膨胀系数的不连续变化，因此可以采用热膨胀法研究合金连续加热过程中的相变[11-13]。并且，由于相变过程中的膨胀可以认为是各向同性的，所以可以利用热膨胀曲线实现α→β相变的定量计算，β相变体积分数可采用杠杆定律的方法确定[14-15]。在一定温度下，β相转变量与该温度下的膨胀量成正比，其β相变体积分数计算公式如公式下。

(1)

因此，本研究采用热膨胀法，并结合金相法，研究了某Ti-Al-Mo-Cr-Zr-Si系新型钛合金在连续加热过程中的相变过程、组织演变规律以及α相→β相的转变速率，旨在为该合金的锻造和热处理工艺制定提供可靠的理论依据，为合金组织结构的演变和预测提供重要的实验依据。

1 实 验

实验所选用的原材料为经准β锻造的某Ti-Al-Mo-Cr-Zr-Si系新型钛合金的锻件，锻态组织如图1所示。从图中可以看到交织分布的细小的板条状α相。

图1 新型钛合金的锻态组织Fig.1 Forging microstructure of a new titanium alloy

热膨胀实验采用型号为NETZSCH DIL 402 C的膨胀仪，选用φ7 mm×25 mm的圆柱状试样，以5 ℃/min的加热速率将试样从室温加热到980 ℃。

将金相试样在热处理炉中以5 ℃/min的加热速率分别加热到280、 390、505、555、610、765、920、930 ℃，然后快速水淬冷却。选用Kroll试剂(V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=10∶ 20∶ 70)对金相试样进行腐蚀，利用LEICA DMI3000 M 型光学显微镜观察该合金经不同温度热处理后的显微组织。

2 结果与讨论

2.1 新型钛合金连续加热过程中的热膨胀行为分析

以5 ℃/min的加热速率加热新型钛合金获得的热膨胀曲线如图2所示。从图中可以看出，合金的热膨胀曲线上有4个特征温度点，分别为280、505、610、930 ℃。连续加热的开始阶段，温度较低，合金的膨胀量与加热温度呈线性关系；当温度达到280 ℃后，合金的膨胀率稍有增加；当温度超过505 ℃后，合金的膨胀率稍有下降；当温度达到610 ℃后，膨胀率迅速升高；直至温度升至930 ℃后，合金的膨胀量与加热温度再次呈线性关系。

图2 新型钛合金的热膨胀曲线(加热速率为5 ℃/min)Fig.2 Thermal dilatometric curve of a new titanium alloy (at 5 ℃/min heating rate)

根据相关文献的介绍[16-18]，对于纯钛而言，发生α↔β相变时，纯钛体积的变化率为0.17%±0.1%。当发生β→α相变时，纯钛体积膨胀，即合金膨胀率增加；当发生α→β相变时，纯钛体积收缩，即合金膨胀率减小。而对于钛合金而言，发生α↔β相变时，合金体积的改变不仅与α相和β相的点阵常数变化有关，还与β稳定元素含量变化引起的合金β相点阵常数的改变有关。当发生α→β相变时，若β相成分变化仅发生在α相的附近区域，此时相变由短程扩散控制，则点阵常数变化导致的合金体积收缩起主导作用，即合金膨胀率减小；若β相中的β稳定元素含量变化较大，且在整个晶粒中都发生变化，此时相变由长程扩散控制，则β稳定元素含量变化引起的合金β相点阵常数改变而导致的合金体积膨胀起主导作用，即合金膨胀率增加。

综上分析可以得出，该新型钛合金连续加热过程中， 在280～505 ℃温度范围内，由于合金锻态组织中β相的含量高于此温度范围内平衡状态时β相的含量，因此发生了β相→α相的转变。在505～610 ℃温度范围内，则发生了α相→β相的转变，主要是由短程扩散控制的。在610～930 ℃温度范围内，也发生了α相→β相的转变，但主要是由长程扩散控制的。当温度达到930 ℃后，组织为全β相，相变结束。

2.2 新型钛合金连续加热过程中的组织演变

图3为以5 ℃/min的加热速率加热新型钛合金过程中的显微组织。

图3 以5 ℃/min的加热速率加热新型钛合金过程中的显微组织Fig.3 Microstructures of a new titanium alloy during continuous heating at 5 ℃/min heat rate

从图3可以看出，当加热温度为280 ℃(图3a)时，与锻态组织相比(图1)，新型钛合金的组织形貌未发生明显变化，仍为细小的板条状α相交织分布。随着加热温度的升高，板条状α相逐渐长大，含量逐渐增多，当加热温度达到505 ℃(图3c)时，板条状α相明显变粗、变长，含量增加。说明该合金在280～505 ℃温度范围内，发生了β相→α相的转变。继续升高加热温度(图3d、e)，合金组织仍为典型的网篮组织，但板条状α相变细、变短；当加热温度升高到765 ℃(图3f)和920 ℃(图3g)时，板条状α相含量明显减少；当温度达到930 ℃(如图3h)时，板条状α相消失，有针状马氏体相析出。说明该合金在505～930 ℃温度范围内，发生了α相→β相的转变。2.3 新型钛合金连续升温过程中的β相变体积分数

利用公式(1)和图2中的热膨胀曲线可以获得新型钛合金连续加热过程中β相变体积分数，如图4所示。

图4 新型钛合金的β相变体积分数(加热速率为5 ℃/min)Fig.4 The β phase transformed volume fraction of a new titanium alloy(at 5 ℃/min heating rate)

从图4可以看出，当加热温度低于610 ℃时，转变速率变化不明显，进一步证明在505～610 ℃温度范围内，发生的是由短程扩散控制的α→β相变；当加热温度超过610 ℃，转变速率显著增加，进一步证明该温度下开始发生由长程扩散控制的α→β相变；当温度达到900 ℃，转变速率再次逐渐减慢，这是由于随着加热温度的升高，α相含量逐渐减少，使得α相→β相的转变量减少导致的。

3 结 论

(1)以5 ℃/min的加热速率连续加热新型钛合金的过程中，在280～505 ℃温度范围内，发生β→α相变；在505～610 ℃温度范围内，发生由短程扩散控制的α→β相变；在610～930 ℃温度范围内，发生由长程扩散控制的α→β相变。

(2)以5 ℃/min的加热速率连续加热新型钛合金的过程中，在280～505 ℃温度范围内，板条状α相逐渐长大，变粗、变长，并且含量也逐渐增多；在505～610 ℃温度范围内，合金组织仍为典型的网篮组织，但板条状α相变细、变短；在610～930 ℃温度范围内，板条状α相的含量明显减少，直至消失。

(3)新型钛合金α相→β相的转变速率在加热温度较低时，对加热温度不敏感，但当加热温度升高到610 ℃后，转变速率显著加快，当温度达到900 ℃后，转变速率逐渐减慢。

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Research on Phase Transformation in A New Titanium Alloy During Continuous Heating

Fei Yue，Wang Xinnan，Zhu Zhishou，Shang Guoqiang，Li Jing，Zhu Liwei

(Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

The phase transformation, microstructure evolution rule and rate ofα→βtransformation in a new titanium alloy during continuous heating at 5 ℃/min heat rate have been studied by thermal dilatometer and metallographic methods. The results showed that the lathy-shapedαphase grew up and increased gradually in the range of 280 ℃ to 505 ℃ during continuous heating, and theβ→αtransformation occurred. The lathy-shapedαphase became finer and shorter in the range of 505 ℃ to 610 ℃, and theα→βtransformation occurred which was controlled by short-range diffusion. The temperature did not influence the rate ofα→βtransformation obviously in this stage. The lathy-shapedαphase decreased significantly, until disappeared in the range of 610 ℃ to 930 ℃, and theα→βtransformation occurred which was controlled by long-range diffusion. In this stage, the rate ofα→βtransformation increased with the increasing temperature at first, when the temperature reached 900 ℃, the rate ofα→βtransformation slowed down gradually.

new titanium alloy;continuous heating;phase transformation;microstructure

2014-07-15

中航工业创新基金(2012E62120R)

费跃(1985—)，女，工程师。