Ti-600合金热暴露前后室温拉伸性能及变形机制研究

曾立英，洪 权，戚运莲，毛小南

(西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)



Ti-600合金热暴露前后室温拉伸性能及变形机制研究

曾立英，洪 权，戚运莲，毛小南

(西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

研究了Ti-600合金镦制饼材600 ℃热暴露前后室温拉伸性能与组织的变化，并分析了其室温拉伸变形机制。研究结果表明，600 ℃热暴露100 h后，毛坯热暴露试样的强度较热暴露前的固溶时效试样(STA)提高了3%左右，延伸率的保持率为81.1%；试样热暴露试样的强度稍有降低，延伸率的保持率仅为55.6%。600 ℃热暴露100 h前后，Ti-600合金镦制饼材的组织变化不明显，热暴露后其原始β晶粒尺寸较之前的稍有长大。STA状态下晶界与板条较平直，热暴露后少数板条弯曲，并且板条较短较细小。试样热暴露试样组织内的α相与β板条比毛坯热暴露试样的粗大。经分析，Ti-600合金热暴露前后室温拉伸变形时主要的变形机制是位错穿越α束滑移以及位错柱面滑移。

Ti-600合金；拉伸性能；热稳定性；变形机制

0 引 言

Ti-600合金是西北有色金属研究院研发的一种可在600 ℃下长期使用的近α型高温钛合金，可用作先进发动机的高温结构材料。目前，关于Ti-600合金显微组织和机械性能研究的报道较多[1-2]，关于高温长时间热暴露后合金热稳定性能的研究也有少量报道[3-4]，但关于热暴露前后合金室温拉伸变形机制的报道较少。因此，有必要对Ti-600合金热暴露前后的室温拉伸性能进行研究，了解热暴露前后其室温拉伸变形机制。

本研究着重探讨Ti-600合金镦制饼材固溶加时效处理后、以及经600 ℃热暴露100 h后的室温拉伸性能，结合对其金相组织、位错结构等的观察结果，分析Ti-600合金高温长时间热暴露前后的室温拉伸变形机制，旨在深入了解该合金热暴露前后显微组织的变化以及热暴露对合金拉伸性能的影响，从而更好地了解该合金的性能-组织关系，以便指导相似高温钛合金的设计和研制。

1 实 验

实验材料为西北有色金属研究院研制的Ti-600合金棒材。首先经三次重熔得到φ420 mm铸锭，再经β相区开坯锻造后，在α+β两相区轧制获得φ100 mm Ti-600合金棒材，其名义成分为Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.5Mo-0.4Si-0.1Y，β转变温度Tβ约为1 010 ℃。最后将棒材在980 ℃下镦制成φ220 mm饼材，变形量为79.3%。

在镦制饼材上切取试样，并对所有试样进行固溶时效处理(STA，1 020 ℃×1 h/AC+650 ℃×8 h/AC)，得到STA试样。随后将部分STA试样在600 ℃下热暴露100 h，获得毛坯热暴露试样与试样热暴露试样，分别进行室温拉伸实验。其中，毛坯热暴露试样是指经STA处理后直接进行热暴露获得的试样，将此试样去除氧化皮加工成拉伸试样后再进行室温拉伸实验，拉伸过程中这种试样表面不含氧化皮；试样热暴露试样是指经STA处理后首先加工成拉伸试样，再进行热暴露，最后直接进行拉伸实验，拉伸过程中这种试样表面含有氧化皮。

所有STA试样与热暴露试样的室温拉伸测试均采用标距25 mm、直径5 mm的棒状样品。在Instron-1185型电子拉伸机上进行拉伸实验，应变速率为3.3×10-3s-1。采用奥林巴斯PMG-3型显微镜观察试样的金相组织，JEM200CX型透射电镜观察试样的显微组织。用于组织观察的试样均截取于拉伸试样的纵剖面，距离断口2～5 mm处。其中，透射电镜样品的具体制备方法如下：通过线切割切取0.3 mm的薄片，将薄片机械研磨至40～50 μm，采用双喷电解装置进行电解抛光，电解液为V(高氯酸)∶V(甲醇)∶V(正丁醇)=1∶ 10∶ 6，温度-30 ℃，电压50 V。

2 结果与讨论

2.1 热暴露前后Ti-600合金的拉伸性能

表1为Ti-600合金饼材热暴露前STA状态下以及热暴露后的室温拉伸性能。由表1可以看出，STA状态下，Ti-600合金具有适中的强度和较高的塑性。600 ℃×100 h热暴露后，毛坯热暴露试样的室温抗拉强度(Rm)和屈服强度(Rp0.2)略有提高，但增幅小于3%，延伸率(A)和断面收缩率(Z)均有所下降。A从STA状态的9.0%降到了7.3%(保持率为81.1%)，Z从STA状态的16.3%降到了5.5%(保持率为33.7%)。试样热暴露试样的Rm较STA试样略有降低，但塑性明显降低，A和Z均为5.0%(保持率分别为55.6%和30.7%)。

表1 Ti-600合金600 ℃热暴露100 h前后的室温拉伸性能

合金的热稳定性分为组织稳定性和表面稳定性两个方面，而影响高温钛合金热稳定性的因素有两个，即高温长时间热暴露过程中的表面渗氧以及内部显微组织的变化。对于试样热暴露试样则包含上述两种变化，而毛坯热暴露试样只包含显微组织变化。毛坯热暴露试样在加工成拉伸试样的过程中去除了表面富氧层的影响，但在600 ℃×100 h的热暴露过程中，组织内部析出了硅化物等析出相[2]，使合金强度提高，塑性降低。这表明毛坯热暴露试样热暴露过程中显微组织的变化使合金的强度增加、塑性降低。而试样热暴露试样除内部存在硅化物等析出相外，试样表面还存在脆性富氧层，富氧层易诱发细微裂纹，使试样过早断裂，宏观上表现为合金强度有所降低、塑性明显下降。

2.2 热暴露前后Ti-600合金的金相组织

图1为热暴露前STA状态下以及热暴露后Ti-600合金的金相(OM)组织。热暴露前，合金饼材经1 020 ℃×1 h/AC+650 ℃×8 h/AC的固溶时效处理后，其组织为片层状组织，由交替编织排列的片层状α相和残余β相构成，晶粒尺寸超过100 μm。

600 ℃热暴露100 h后，不论是毛坯热暴露试样还是试样热暴露试样，其OM组织与STA试样的没有本质区别，只是热暴露后试样的原始β晶粒尺寸稍有长大。STA状态下晶界与板条相对平直一些，热暴露后少数板条发生弯曲现象，板条较短较细小。这表明Ti-600合金具有组织稳定性。由文献[3]可知，与毛坯热暴露试样相比，试样热暴露试样表面有渗氧层，热暴露过程中合金的晶粒相对易于长大，因此，对比发现，试样热暴露试样的α相与β板条比毛坯热暴露试样的粗大。热暴露后表面氧化对合金拉伸性能的影响可能会大一些，这与文献[3]的结果也是吻合的。

图1 热暴露前后Ti-600合金饼材试样的金相照片Fig.1 Optical morphologies of Ti-600 alloy pancake before and after being exposed at 600 ℃ for 100 h

2.3 热暴露前后Ti-600合金的变形机制

文献指出，高温钛合金的变形主要是通过原始β晶粒的晶界滑移、位错在α相中的滑移以及α/β相界面滑移这三种方式实现的[5]。热暴露前后，上述三种变形机制在合金的总变形中所占比重不同，不同工艺与实验条件下，三种变形机制对合金变形方式的影响也有所不同。图2为Ti-600合金STA、毛坯热暴露与试样热暴露试样中的位错形貌。由图2可见，无论哪种试样，在室温拉伸变形实验后合金内均存在长距离滑移现象。

图2 Ti-600合金饼材位错长距离滑移形貌Fig.2 Morphologies of long distance slips for dislocations in Ti-600 alloy pancake

图3 Ti-600合金α相中典型的位错柱面滑移Fig.3 Typical prismatic slips of disloctions in α phase of Ti-600 alloy pancake

3 结 论

(1)600 ℃热暴露100 h以后，Ti-600合金镦制饼材毛坯热暴露试样的强度较STA试样提高3%左右，延伸率从STA状态的9.0%降低至7.3%，保持率为81.1%；试样热暴露试样的强度稍有降低，但塑性降低幅度较大，延伸率降低至5%，保持率仅为55.6%。

(2)600 ℃热暴露100 h前后，Ti-600合金镦制饼材的金相组织差别不大，具有组织稳定性。热暴露后试样的原始β晶粒尺寸稍有长大。STA状态下晶界与板条较平直；热暴露后少数板条弯曲，板条较短较细小。试样热暴露后，合金内α与β板条比毛坯热暴露的粗大。

(3)热暴露前后室温拉伸变形时，位错穿越α束滑移以及位错柱面滑移是Ti-600合金主要的变形机制。

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Tensile Properties and Deformation Mechanism at Ambient Temperature for Ti-600 Alloy Before and After Thermal Exposure

Zeng Liying, Hong Quan, Qi Yunlian, Mao Xiaonan

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

Tensile testes were carried out at ambient temperature on Ti-600 alloy before and after being exposed at 600 ℃ for 100 h. Morphologies were investigated and deformation mechanism was also analyzed. The results indicate that the strength of the sample without oxidizing layers increases 3% or so, the retention rate of elongation is 81.1% for the alloy exposed at 600 ℃ for 100 h. While for the sample with oxidizing layers, the strength decreases a little bit, the retention rate of elongation is only 55.6%. The morphologies of the alloy after being exposed at 600 ℃ for 100 h are almost the same as that of the alloy before thermal exposure. The size of primary transformedβgrains becomes a little bigger after thermal exposure. The grain boundaries,αandβlathes are plain and flat, while some of which are with curve shape, short and fineαandβlathes can be found. And lathes in the samples with oxidizing layers are coarse than that in the samples without oxidizing layers. During the tensile deformation process at ambient temperature prior to and after long time high temperature thermal exposure, the main deformation mechanisms for the Ti-600 alloy are not only the slips of dislocation across theαclusters, but also prismatic slips of dislocations.

Ti-600 alloy；tensile properties；thermal stabilities；deformation mechanism

2014-03-18

陕西省重点科技创新团队计划“钛合金研发创新团队”(2012KCT-23)

曾立英(1970—)，女，教授级高工。