TC4钛合金冷却过程中组织变化分析

李 壮，康少酺，于欢欢，姜 行，仇大同，于 涛，李朝华

(沈阳航空航天大学 材料科学与工程学院，沈阳 110136)

材料工程

TC4钛合金冷却过程中组织变化分析

李 壮，康少酺，于欢欢，姜 行，仇大同，于 涛，李朝华

(沈阳航空航天大学 材料科学与工程学院，沈阳 110136)

采用金相显微镜、扫描电镜和HV-50A维氏硬度分析仪研究了TC4钛合金自β相区冷却过程中相组成及微观组织变化。结果表明，TC4钛合金冷却过程中发生β→α相变。冷却速率越小，形成α相片层越厚。TC4钛合金经1 000 ℃固溶后，冷却到850～800 ℃水冷时，析出α相均匀细小，试样硬度出现峰值。随着冷却温度继续降低，试样硬度开始下降。TC4钛合金固溶后在冷却过程中的硬度变化，很可能还与Ti2AlV(O)相和Ti2AlV相的析出、长大有关。

TC4钛合金；冷却温度；冷却速率；相；硬度

钛及其合金因具有密度小、比强度高等优点而广泛应用于航空航天、汽车和船舶等行业[1-3]。TC4于1954年在美国首先研制成功[4]，含有α相稳定元素Al和β相稳定元素V，属于Ti-Al-V系典型的α+β型双相热强钛合金，是目前世界范围内应用最为广泛的钛合金之一[5-8]。TC4钛合金力学行为显著依赖于热机械处理后的显微组织,通过不同的热机械处理可以获得片层、等轴等组织形态,而不同的组织具有不同的力学性能。目前TC4钛合金的研究多集中于等轴组织的形成及其与热机械工艺和力学性能的关系方面[9]，而对在β相区固溶冷却过程中α片层的形成及演化过程的研究很少。本实验旨在研究TC4合金自β相区冷却过程的相组成及显微组织的演变，期望对TC4合金热处理工艺制定、组织特征控制及力学性能优化提供帮助。

1 试验材料与方法

本实验所用TC4钛合金化学成分如表1所示。

表1 TC4钛合金的化学成分(质量分数/%)

采用数控线切割机床将退火后的TC4钛合金原料制备成15个10 mm×10 mm×10 mm正方体试样。取3个试样为一组在SX-14-14电阻炉中加热后，以二种不同的冷却速率分别冷却至不同温度取出水冷。具体热处理工艺参数如表2所示。采用HV-50A维式硬度分析仪测量3个试样的硬度并取平均值。经磨、抛制备成金相试样,采用腐蚀剂(HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶5)进行腐蚀,然后用Olympus-BX51金相显微镜和FEI 扫描电镜观察试样的组织变化。

表2 TC4钛合金的热处理工艺

2 试验结果与分析

2.1 水冷试样硬度

不同冷却速率下水冷试样的硬度平均值如图1所示。由图1可知，试样在1 ℃/min(Ⅰ制度)冷却速率下冷却至900 ℃取出水冷后硬度平均值为HV5209，随着冷却温度的降低试样硬度逐渐增大。在800 ℃取出水冷后硬度达到HV5246的最高值。随着冷却温度的继续降低硬度随之降低，在750 ℃时硬度降低至HV5230。随着冷却温度的降低，试样在冷却过程中硬度变化趋势为先上升后下降，在冷却温度800 ℃取出水冷后达到峰值。试样在5 ℃/min(Ⅱ制度)冷却速率下硬度变化趋势与Ⅰ制度相同，均是先增大后减小。在硬度增大过程中，5 ℃/min冷却速率下硬度值普遍比1 ℃/min速率的硬度值大，二者相差明显。在5 ℃/min冷却速率下，在850 ℃取出水冷后硬度达到HV5252的最高值。试样在850 ℃～800 ℃温度范围内水冷时硬度达到峰值。

图1 硬度随冷却温度的变化

2.2 水冷试样组织

由图1可知试样在不同速率下冷却温度降至850 ℃的过程中硬度值是逐渐增大的，在850 ℃～800 ℃时硬度达到峰值，当冷却温度低于800 ℃时硬度逐渐降低。在此期间，TC4钛合金慢速冷却至不同温度下水冷的显微组织也呈现出相应的变化规律，其中Ⅰ、Ⅱ制度二种冷却速率冷却至950 ℃、850 ℃、800 ℃、750 ℃的金相组织分别如图2和图3所示。

在1 ℃/min冷却速率下，从图2a可见冷却至950 ℃时TC4钛合金的微观组织主要为β相，有少量α相析出；冷却至850 ℃时(图2b)，其α相较950 ℃的α丛尺寸减小，α条变短[10]；当冷却至800 ℃时α丛尺寸继续减小，长条密致的α条形成，得到近似的网篮组织(图2c)；当冷却至750 ℃时，原始α相开始消失，出现等轴α+转变β，晶界出现细密倾向(图2d)。在5 ℃/min冷却速率下，从图3a可见冷却至950 ℃时的微观组织，其组织基本仍为β相，晶界中有α相析出。二种制度对比表明，5 ℃/min 冷却速率下α相比1 ℃/min 冷却速率下α相，分布广而细密(图3b)。当冷却至800 ℃时，组织中α相逐渐增多，原始β晶粒及晶界α破碎消失，已开始出现等轴α相(图3c)，且这种等轴α相逐渐增多(图3d)。

二种制度冷却至950 ℃、850 ℃、800 ℃、750 ℃温度的扫描电镜照片分别如图4、图5所示。其中5 ℃/min冷却速率下冷却至750℃水冷后的能谱分析见图6。

图2 Ⅰ制度试样的金相组织

图3 Ⅱ制度试样的金相组织

图4 Ⅰ制度试样的SEM组织

图5 Ⅱ制度试样的SEM组织

图6 Ⅱ制度试样的的能谱分析图

在扫描电镜下观测(图4、5)，组织中存在β相和α相，其中白色发亮的β相以及灰黑色的α相，在不同冷却温度时的形态与分布进一步得到证实[11-12]。通过SEM照片可见，β相组织形态发生变化，随着冷却的进行，新析出的α相在β晶界和初始α相界面上都能形核，在α界面上形核析出的α相的位向与原先存在的α相的位向不同呈现针状，当温度冷却到850 ℃以下时，晶界形核的α片层向晶内生长并贯穿整个β晶粒,形成全片层组织,通过SEM图对比可知5 ℃/min 冷却速率下α相比1 ℃/min 冷却速率下较早形成片层组织。SEM观测结果与金相组织非常一致。而由能谱分析结果可知，TC4钛合金在缓慢冷却过程中，很可能有Ti2AlV(O)相和Ti2AlV相的析出(图6)。

2.3 实验结果分析

试样硬度在850～800 ℃产生转折，在该温度范围之上由于α相析出，硬度随温度降低而增大，在该温度范围之下时由于等轴晶和转变β相的产生，硬度反而开始下降。TC4钛合金冷却过程中,主要的相转变为β→α，以1 ℃/min速率冷却,在进入两相区之后的冷却过程中，α相在晶界形核,并向晶内长大,晶粒内部没有形核。以5 ℃/min速率冷却过程中,晶界与晶内均有形核,并竞争生长,形成有少量网篮状形貌的片层组织。TC4钛合金以不同冷却速率冷却至室温，β相转变为片层状α相，形成片层组织。随着冷却速率的增大，α片层厚度、α集束、α片层体积分数均增大。因此，当温度在850～800 ℃时，组织的硬度最高，组织最为均匀，此时析出α相均匀且细小。随着冷却温度的下降，逐渐析出α相，温度越低，冷却速度越慢，α相析出越多，片层越厚。固溶温度在β相变温度以上时，得到魏氏体组织，具有长条状α相。相变温度以下为等轴晶组织。当温度降低到一定相变温度以下时，开始产生等轴晶组织，且析出转变β相，冷却速度越慢，析出越早，等轴晶越易产生，冷却速度越慢α相析出越多，片层越厚[13]。

在相对的低速冷却(1 ℃/min)过程中，TC4钛合金中相主要在晶界形核并逐渐向晶内长大，而在相对的较高的速率(5 ℃/min)冷却过程中，TC4钛合金中α相在晶界和晶内几乎同时形核并长大。当TC4钛合金由β相区以1 ℃/min的速率冷却，进入两相区之后的冷却过程中,由于过冷度较小,晶核首先在晶界形成,并长大成网状晶界α相[14],当冷却到950 ℃时,有少量α片层开始从晶界向晶内生长，说明在两相区温度范围内β相逐渐向α转变。另外，TC4钛合金以1 ℃/min速率冷却过程中，β晶粒内基本没有发生α相形核。也就是说,TC4钛合金以1 ℃/min速率冷却至两相区高温阶段,主要发生晶界α层形核和析出，冷却到两相区较低温度时，晶界α片层向晶内长大，α相体积分数明显增大。相对而言，TC4钛合金以5 ℃/min的冷却速率自β相区冷却至两相区不同温度水冷，获得的原始晶粒较为细小，当冷却到850～800 ℃时，伴随着晶界处少量α相的形核，由于水冷，不仅在晶界有针状马氏体析出，而且在晶内也有少量呈一定角度的针状马氏体呈小集团析出。随着温度降低到800 ℃时，马氏体含量减少，α相增多。当温度降低到一定相变温度以下时，开始产生等轴晶组织，且析出转变β相，冷却速度越慢，析出越早，等轴晶越易产生[15]。等轴组织具有较高的强度、塑性和疲劳强度，双态组织则综合了等轴和片层组织的特点，不仅具有优良的室温性能，而且蠕变性能、疲劳性能及热稳定性良好。

冷却温度在1 000 ℃～900 ℃过程中，试样组织中的相主要在晶界形核并逐渐向晶内长大，组织基本为β相，晶界中有少量α相析出。随着温度的下降，α相体积分数逐渐增大，当冷却温度在850 ℃～800 ℃时，试样硬度最高，组织最为均匀。当温度降低800 ℃以下时，开始产生等轴晶组织，且析出转变β相，组织变的粗大，硬度下降。同时，Ti2AlV(O)相和Ti2AlV相很可能在缓慢冷却过程中析出，必然会对TC4钛合金的硬度造成影响。因此，通过对TC4钛合金冷却过程中组织演变的分析，设法控制α相的尺寸、形态及片层厚度，对改善材料的综合性能具有积极作用。

3 结论

(1)TC4钛合金固溶后，冷却到不同温度取出水冷，随着冷却温度的下降，β相逐渐析出α相；水冷温度越低，冷却速度越慢，α相片层越厚；冷却速度越快，α相碎化越严重。

(2)TC4钛合金固溶后，冷却至850～800 ℃水冷时，析出α相均匀细小，试样硬度出现峰值。随着温度继续降低，试样硬度开始下降。

(3)随着TC4钛合金固溶后冷却温度的降低，α相析出，而低于800 ℃以后，α片层开始向晶内长大，使强化作用减弱，是造成硬度变化的根本原因。此外，TC4钛合金固溶后冷却过程中，很可能有Ti2AlV(O)相和Ti2AlV相的析出，Ti2AlV(O)相和Ti2AlV相析出后，将随固溶后冷却温度的降低而长大，上述硬度的变化很可能与此相关。

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(责任编辑：赵金兰 英文审校：刘敬钰)

ThemicrostructuralevolutionofTC4alloyduringcoolingfromthesolutiontemperature

LI Zhuang,KANG Shao-pu,YU Huan-huan,JIANG Hang,QIU Da-tong,YU Tao,LI Zhao-hua

(College of Materials Science and Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

The microstructural evolution of TC4 alloy during cooling from the solution temperature was investigated by using an optical microscopy,a scanning electron microscopy and a Vickers hardness analyzer.The results have shown that the main phase transformation wasβ→αduring cooling.Thickness ofαlath increased with decreasing cooling rates.The hardnesses of the specimens which were cooled from 850～800 ℃ after solid solution at 1 000 ℃ reached maximum value due to a uniformly fine-grained structure ofα-phase.The hardnesses of the specimens decreased with decreasing cooling temperature.The hardness changes of the specimens are also most likely related to the precipitation of Ti2AlV(O)and Ti2AlV phases during cooling.

TC4 alloy;cooling temperature;cooling rate;phase;hardness

2014-06-05

国家自然科学基金资助项目(项目编号：50334010)； 东北大学国家重点实验室开放课题(项目编号：12SYS05)

李壮(1964-),男，辽宁沈阳人，教授，主要研究方向：钢铁材料的组织与性能，E-mail:Lizhuang20047@163.com。

2095-1248(2014)05-0044-06

TG146.2

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.05.009