TB17钛合金等温时效析出行为

王　哲，　王新南，　祝力伟，　朱知寿

(北京航空材料研究院 先进钛合金航空科技重点实验室， 北京 100095)



TB17钛合金等温时效析出行为

王哲，王新南，祝力伟，朱知寿

(北京航空材料研究院 先进钛合金航空科技重点实验室， 北京 100095)

采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、光学显微镜(OM)等对新型超高强韧TB17钛合金次生α相转变动力学进行研究。实验结果表明，该合金经β相区固溶，520℃不同保温时间时效后，片层次生α相在β相基体上析出、形核、长大，并且与基体具有柏氏共格关系。短时时效后次生α相呈针状，随着保温时间延长，次生α相粗化呈短棒状。析出相含量对TB17钛合金强化具有重要影响，TB17钛合金在完全析出过程中，次生α相含量增加，时效硬化作用增加。TB17钛合金次生α相等温相变动力学采用JMAK方程进行描述。

TB17钛合金；等温时效；次生相α相；析出相

亚稳β钛合金由于具有较高的比强度、深淬透性、良好的抗腐蚀性能、优异的冷热成形性以及可通过热处理强化获得优异的强度-塑性-韧性匹配，是一种理想的航空结构用钛合金材料[1-3]。第一个商业应用的β型钛合金是20世纪50年代末研制的B120VCA，其强度超过1100 MPa，延伸率仅为2%，从而限制其在飞机上的大量应用。之后大量β型钛合金如VT22，Ti-1023，Ti-5553等被广发应用于飞机起落架及其他航空结构件上[4-6]。目前航空用钛合金强度仅为1200 MPa级别，超过该强度其塑性、韧性及疲劳性能迅速降低，从而限制其应用。因此，按照下一代飞机的发展需求，有必要对强度超过1350 MPa级别，并且具有良好强度-塑性-韧性匹配的超高强韧钛合金进行研究。

TB17钛合金是我国自主研发，具有自主知识产权的一种新型亚稳β钛合金，钼当量12.3，铝当量3。该合金经固溶时效热处理后，强度可达1400 MPa，并具有良好的强度-塑性-韧性匹配，是一种发展前景良好的航空结构用超高强韧钛合金。亚稳β钛合金具有较高强度主要源于过饱和固溶体基体中析出的弥散分布并对位错起到阻碍作用的第二相粒子，其力学性能与析出相的第二相粒子的性质、尺寸、含量、形貌及分布密切相关[7]，其强化机理及性能方面的研究一直以来备受关注。常辉[8]和余新平等[9]分别对Ti-B19及TC21钛合金的次生α相时效析出动力学进行了研究，但目前尚未有TB17钛合金的等温动力学相变行为的研究报导。目前，国内外对析出相的动力学分析主要采用TEM图像分析及X射线衍射技术，本工作研究了保温时间对TB17钛合金时效析出行为的影响，揭示其等温相变动力学，对于理解该合金相转变机制、显微组织形成和控制合金性能具有重要意义。

1　实验材料及方法

实验采用经三次真空自耗电弧熔炼的TB17超高强韧钛合金铸锭，经β相区开坯和两相区锻造成φ220 mm棒材，淬火金相法测定相变点Tβ为845℃，采用线切割方法切取φ15 mm×15 mm试样，在精度为±3℃的箱式电阻炉中进行热处理。试样热处理工艺采用870 ℃/30 min固溶热处理后，在520 ℃分别进行5 min，10 min，30 min，1 h，2 h，4 h，8 h，16 h时效热处理，所有热处理均采用空气中进行冷却，如图1所示。试样经打磨、抛光，制备成金相试样。

图1　TB17钛合金材料制备流程图Fig.1　Schematic illustration of TB17 for the experiment

显微组织观察采用Leica DMI 3000M金相显微镜上进行。采用Tecant透射电镜观察显微组织透射试样制备方法为将试样经机械减薄到40 μm后进行双喷离子减薄，XRD实验在Bruker D8 X射线衍射仪上进行。洛氏硬度在A-200布洛维三用硬度计上进行，金相照片采用Image Pro Plus软件进行金相数据分析。

图2所示为实验用棒材的显微组织主要由β相基体和弥散分布于β基体上的α相组成，在透射电镜下进行观察，初生α相完全球化，大量针状次生α相在β相基体中析出。

图2　TB17棒材热处理前的原始显微组织Fig.2　Micrographs of the initial microstructure for TB17 titanium alloy　(a)OM；(b)TEM

2　结果与分析

2.1不同热处理后显微组织结构

图3所示为不同热处理后的显微组织。经870 ℃固溶后，空冷条件即可将高温亚稳β相保留至室温(如图3(a))，该组织不含稳定α相(如图4)，β晶粒平均尺寸为100 μm，晶界清晰，晶内无第二相，该组织为过饱和固溶体。经520 ℃保温16 h后，过饱和固溶体在等温时效过程中发生分解，形成α相(如图3(b))，该组织中大量次生α相弥散分布于β基体上，并且仅由次生α相及β相基体组成(如图4)。

图3　时效时间对显微组织影响Fig.3　Heat treatment microstructure of the TB17 titanium alloy under different conditions　(a)ST；(b)ST+A/16h

图4　TB17钛合金不同热处理工艺XRD分析Fig.4　X-ray diffraction patterns of TB17 titanium alloy for different heat treatment

2.2保温时间对次生α相形貌影响

图5所示为时效时间对次生α相形貌影响。经β相区固溶并保温10 min后，β相转变组织上出现了α片层状结构，该组织为TB17钛合金片层α相长大的核心，这也与Jones等[10]的研究结果一致。保温30 min，TEM组织中主要由β转变组织与针状次生α相组成，其针状长度可达2μm，但针状片层厚度仅为 34.4 nm；时效保温1 h时，显微组织由大量致密的次生α相组成，并且随着时效时间延长，显微组织由大量致密的次生α相组成，片层厚度粗化，次生α相片层厚度50 nm；时效保温4 h，片层厚度长大为57.2 nm，持续延长保温时间，次生α相片层厚度趋于稳定，保温16 h，片层厚度仅长大为59 nm，而片层长度降低到0.5 μm，这与Furuhara等[11]对VT22钛合金时效析出的结果一致。如图6所示，次生α相片层厚度从保温时效开始迅速长大，保温4 h后片层厚度变化不明显，这主要是由于次生α长大过程是一个扩散相变过程，次生α相长大初期，β相基体上次生α相含量较少，长大速率较快，随着保温时间延长，析出次生α相含量增加，次生α相之间相互抑制，长大速率也受到限制[12]，在长大稳定阶段，为降低次生α相界面能，次生α相开始粗化，片层厚度增加，长度缩短。因此TB17钛合金时效析出过程是次生α相析出→形核→长大过程，随着时效时间延长，次生α相形貌由针状α相向短棒状α相长大过程。

图5　时效时间对次生α相形貌影响Fig.5　Bright-field image of α lath observed in the sample air cold from 870℃ and aged at 520℃ (a)5 min；(b)30 min；(c)1 h；(d)4 h；(e)16 h

2.3TB17钛合金时效响应

图8所示为TB17钛合金时效时间与硬度的关系响应。结果表明，保温时间对TB17钛合金硬化有重要影响，经β相区固溶后，洛氏硬度仅为26HRC。保温5 min，洛氏硬度上升到30HRC，次生α相含量仅为3.3%(体积分数)；保温2 h，洛氏硬度上升到42HRC，次生α相含量增加到46%；延长保温时间，洛氏硬度增加缓慢，次生α相含量也趋于稳定。因此TB17钛合金时效响应过程分为三个阶段：第一阶段为α相形核孕育阶段，时效保温开始到5 min；第二阶段为快速析出阶段，从保温5 min到2 h；第三阶段为α相转变稳定阶段，从保温2 h到16 h。金属的塑性变形是通过位错运动过程进行的，位错运动仅在滑移系上进行，由于析出次生α相，增加了α/β相界面，也对位错运动造成阻碍作用[13]。因此析出相强化效果取决于析出产物的强度、结构、形状、分布和尺寸等因素，ESMAEILI[14]等人认为析出相的强化作用(σppt)与几个微观变量有关，可表示为：

图6　时效时间对析出α相片层厚度影响Fig.6　Effect of aging time on the lamellar thickness of secondary α phase

σppt=f1(R,f,F,L,S)

(1)

图7　次生α相与β相基体界面结构的TEM照片　(a) HADDF照片(α/β相界面用黑色线条标出)；(b) 选区衍射斑点Fig.7　TEM image of α/β phase interface structure　(a) HADDF image；(b) selected electron diffraction image

图8　TB17钛合金870 ℃固溶520 ℃时效响应Fig.8　Aging response of TB17 titanium alloy during 870 ℃ solution and aging at 520 ℃

其中：L为有阻碍作用的析出相粒子之间的最大相互作用；S表示析出相粒子形状与基体之间位向关系的微观参数；F表示尺寸为平均半径的粒子与位错之间的最大相互作用力。在本研究过程中，合金成分、加热温度、析出相形状及与基体的位向关系等条件保持不变，则析出强化作用仅与粒子尺寸与析出量有关。本试验采用洛氏硬度表征时效强化响应，因此可得，洛氏硬度与析出相含量之间关系：

H=26.6+43.6ωα

(2)

其中：H为洛氏硬度，ωα为析出相含量，0≤ωα≤47%。

2.4α相等温相变动力学

TB17钛合金在等温条件下从亚稳β相中析出α相属于长程扩散控制型相变，其动力学过程一般可以采用Johnson-Mehl-Avarami-Kolmogorov(JMAK)方程进行描述[15]：

ζ=1-exp(-ktn)

(3)

式中：ζ为单位体积相变析出相体积分数；k为与温度有关的相变速率常数；t为保温时间，min；n为Avarami指数，与析出相形貌有关。

为求得方程中k与n，对TB17钛合金时效析出相含量对数与时间对数进行拟合，得到如图，该对数图所得直线斜率为n，截距为k，因此可以得出k=-3.16，n=0.036。因此TB17时效析出动力学方程描述为：ζ=1-exp(3.16t0.036)。

图9　TB17钛合金残余β相含量与时间对数关系Fig.9　Plots of in[ln(1-ζ)] against ln t for TB17 titanium alloy

图9所示为TB17钛合金870 ℃固溶，520 ℃时效析出过程中β相含量与时间对数关系，残余β相含量对数与保温时间对数值具有线性关系，其主要原因在于TB17钛合金时效过程中形核与长大过程是相互影响的，当核心形成后，随着核心的长大则在β相基体中可以转变的体积减少，因此核心不会无限的长大。当靠近表面的核心颗粒遇到表面后便在表面方向停止长大。随着过冷β相基体中次生α相的析出长大，母相的过饱和程度降低，长大速率受到限制。

3　结　论

(1)TB17钛合金具有较快的时效响应，时效硬化过程可分为三个阶段：形核孕育区、快速响应区以及时效响应稳定区。长时时效次生α相含量约占47%。析出强化硬度与次生α相含量之间满足H=26.6+43.6ωα。

(2)TB17钛合金次生α相转变动力学采用JMAK方程进行描述为：ζ=1-exp(3.16t0.036)。

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(责任编辑：张峥)

Isothermal Aging Precipitate of TB17 Titanium Alloy

WANG Zhe，WANG Xinnan，ZHU Liwei，ZHU Zhishou

(Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Titanium Alloys, Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

Transmission Electron Microscope (TEM), X-Ray Diffraction(XRD) and Optical Microscope(OM)were employed to investigate the aging precipitation behavior of a new type of ultra-high strength TB17 titanium alloy. The results show that during heat solution treated in the β phase field followed by aging the secondary α phase is nucleated, precipitated and grew on the β phase matrix，and the precipitated phase is lamellar structure which has burgers relation with the matrix. The secondary α phase content is increased rapidly and finally reach a steady-state as aging time increased and the final product of aging consists of α phase and β phase. there is a good linearity relationship between the content of secondary α phase and the hardness of age hardening. The TB17 titanium alloy isothermal phase transformation kinetics can be described by JMAK equation.

TB17 titanium alloy; isothermal aging; secondary α phase; precipitation

2016-02-26；

2016-05-30

总装预研加强项目基金(51312JQ01)

朱知寿(1966—)，男，博士，研究员，主要从事航空钛合金及应用技术研究，(E-mail)zhuzzs@126.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.5.001

TG146.2

A

1005-5053(2016)05-0001-06