硼对Ti-1023合金组织与性能的影响

孟 瑶，黄利军，张明杰，张文强

(北京航空材料研究院，北京 100095)



硼对Ti-1023合金组织与性能的影响

孟 瑶，黄利军，张明杰，张文强

(北京航空材料研究院，北京 100095)

采用真空自耗电弧炉熔炼添加硼元素的Ti-1023合金铸锭，对其进行一定的变形得到锻造棒材。利用金相显微镜、电子探针、万能材料试验机等设备对其进行宏观、微观组织及性能分析，研究硼元素对铸态与锻态Ti-1023合金组织与性能的影响。研究发现，硼元素作为一种高效的细化剂，能显著细化Ti-1023合金的铸态组织。硼化物倾向于以链状析出，对合金进行充分变形，能使硼化物充分破碎。微量的硼可以显著提高钛合金的强度，当硼含量在0.1%～0.2%(质量分数)时，Ti-1023合金的抗拉强度与屈服强度变化不大，但是塑性下降明显。为了得到良好的强度-塑性匹配，最佳硼添加量不应大于0.1%。

β钛合金；Ti-1023；硼；组织与性能

0 引 言

钛合金具有比强度高、耐蚀性好等优点，在航空、船舶等领域的应用逐步扩大[1-2]。但铸态钛合金晶粒粗大，需要经过较多火次的开坯与改锻来破碎晶粒，成本较高。近年来，关于硼改性钛合金的研究工作一直在进行。Lieberman和Roy等人发现，钛合金添加硼元素后生成了具有斜方结构的TiB颗粒，宏观形貌呈长条状，与钛的结晶学相容性良好，且热膨胀系数与钛相当，可使界面残余应力最小[3-4]。硼化物颗粒的密度也与钛相当，但刚度是传统钛合金的3～4倍，弹性模量高达350～550 GPa，硬度比SiC高20%[5]，对基体有一定的强化作用。研究还发现，加入一定量的硼能显著细化铸态TC4钛合金的晶粒，使晶粒尺寸从无硼时的1 700 μm降低到200 μm左右[6]。由于裂纹在晶粒较细的钛合金组织中不易萌生(应力集中小)，也不易传播(晶界曲折多)，且在断裂过程中能吸收更多的能量，所以使得材料的抗疲劳性能有一定的提升[7]。硼化物对钛合金组织中的α相析出也有明显的促进作用。于洋[8]研究发现，在退火炉冷过程中，TiB相作为α相的附加形核位置，有助于不同取向的α相形核长大，获得类似等轴或球化的α相组织，对钛合金有较好的强化作用。

现有的硼元素对钛合金组织与性能的研究大部分是针对TiAl合金、铸态以及轧制态Ti-6Al-4V合金等，对于β型钛合金的研究较少[9-11]。Ti-1023是一种近β型钛合金，为制得性能良好的锻件，需要经过复杂的开坯、改锻及热处理工序来细化组织，获得强度-塑性-韧性等匹配的综合性能，成本较高[12]。在钛合金中添加一定量的硼，生成的TiB相能钉轧晶界，细化铸态组织，阻碍后续热加工与热处理过程中原始β晶粒的长大。这样可以有效减小晶粒尺寸，减少锻造火次，简化开坯改锻工艺，从而降低生产成本，具有很强的实际意义。本研究以Ti-1023合金为对象，通过在合金熔炼原料中添加一定量的硼，对熔炼出来的铸锭进行适当变形，研究硼元素对铸态和锻态Ti-1023合金组织与性能的影响，为硼元素在钛合金中的应用研究提供参考。

1 实 验

硼与Ti主要生成TiB、Ti3B4、TiB2等3种钛硼化物，其硼含量分别为18.4%、23.1%、31.1%(质量分数，下同)。当硼含量在亚共晶范围内时，硼化物主要是TiB。随着钛合金中硼元素的增加，TiB逐渐增多，钛合金脆性急剧增大，一般认为添加0.1%的硼，会得到较好的综合力学性能[8,13-14]。

本研究设计的硼元素添加量分别为0、0.05%、0.1%、0.2%。原料为0级海绵钛、Al-V-Fe三元合金、硼粉，采用真空自耗电弧炉进行3次熔炼，得到4种成分的Ti-1023合金铸锭，化学成分如表1所示。对铸锭取样进行低倍组织分析。采用金相法测得3种含硼钛合金的相变点均在790±3 ℃，与Ti-1023合金相当。

铸锭在1 150 ℃进行开坯、3火次镦拔，在920 ℃进行3火次镦拔，随后在两相区进行2火次镦拔。每火次变形量均为40%～50%，最终获得尺寸为φ106 mm×180 mm的棒材。对在两相区1火次变形的棒材取样，在JXA8100电子探针上进行硼化物分析。在两相区1火次变形后在780、800 ℃淬火的棒材及2火次变形后经固溶+时效处理(765 ℃×2 h/WQ+515 ℃×8 h/AC)的棒材心部分别取金相试样，采用LEICA-DMLM型光学显微镜观察显微组织。依据GB/T 228.1—2010在经过固溶+时效处理之后的棒材纵向取R7标准拉伸试样，利用5887-E2-G1型万能材料试验机进行力学性能测试。

表1 Ti-1023合金铸锭的化学成分(w/%)

2 结果与讨论

2.1 硼对铸态Ti-1023合金组织的影响

图1为不同硼含量的Ti-1023合金铸锭的低倍组织照片。对钛合金铸锭心部晶粒平均尺寸进行测量和统计，得到晶粒尺寸随硼含量变化趋势图(图2)。从图中可以看出，硼元素对铸态钛合金组织有着明显的细化效果。铸态Ti-1023合金的晶粒尺寸通常很大[15]，不添加硼时，心部晶粒的平均尺寸约为2.1 mm左右，边部晶粒尺寸甚至可达8～10 mm。当硼含量为0.05%时，心部平均晶粒尺寸为2.2 mm，与无硼钛合金晶粒尺寸相当。当硼含量为0.1%时，钛合金晶粒尺寸减小。当硼含量为0.2%时，心部平均晶粒尺寸为1 mm左右，相较无硼铸态Ti-1023合金的晶粒尺寸缩小了53.4%。总体来看，硼含量非常少时，铸锭晶粒尺寸基本没有明显减小，并且当硼含量超过一定数值时，晶粒进一步细化也不明显，这符合很多研究中发现的“开关现象”[13]。

硼化物在钛合金中的主要化学反应式及生成路径为：

Ti+B→TiB

液相→β相+共晶相TiB→α相+β相+共晶相TiB

关于硼元素细化钛合金晶粒的机理主要有“促进形核说”与“成分过冷说”。前者认为TiB作为一种能在钛中热力学稳定存在的粒子，能成为原始β相的形核质点，由此增大形核率，从而细化晶粒。但是这种机理不能解释试验中发现的“开关现象”。后者认为硼在液态Ti中能完全溶解，当温度逐渐降低时，液相中析出先共析β相与TiB，固相与液相之间的短距离内会有硼元素的富集，造成成分过冷现象；这种固液界面是不稳定的，从而促进β相持续生成。现在越来越多的研究倾向于两种学说的综合，即在硼元素富集导致成分过冷，从而促进β相生成的同时，液相中析出的TiB也能成为形核质点来增加形核率，进而细化铸造钛合金晶粒。

图1 铸态Ti-1023合金低倍照片Fig.1 Macrographs of the cast Ti-1023 alloy

图2 Ti-1023合金晶粒尺寸随硼含量变化图Fig.2 Grain size of Ti-1023 alloy with boron as a function of boron contents

2.2 硼对锻态Ti-1023合金组织与性能的影响

Ti-1023合金铸锭经开坯、β相区变形，并在两相区经过1火次变形的电子探针显微照片如图3所示。

从图中可以看出，硼在钛合金中生成了细长的硼化物，当硼含量较低时，钛合金中大部分的硼化物零星分布，但是也有一些呈链状分布。硼含量逐渐增多，硼化物呈链状分布。经过一定的变形，硼化物发生破碎，图4d中破碎的硼化物A的长度约18 μm，平均宽度约2.5 μm，对硼化物A和基体B进行电子探针波普分析，结果如表2所示。从表中可以看出，Ti/B原子比为43.18∶52.67，约等于1，可以确定该硼化物为TiB。基体中没有发现硼元素，由此可以证明，在亚共晶含硼钛合金中，硼化物基本以TiB形式出现。

表2 硼化物与基体的电子探针波普分析

图4为Ti-1023合金铸锭经开坯、β相区变形，并在两相区经过1火次变形后，分别在780 ℃与800 ℃淬火后的显微组织照片。

图4 Ti-1023合金在两相区1火次变形后的淬火组织照片Fig.4 Quench structures of Ti-1023 alloy forged one time in α+β phase region

从图中可以看出，780 ℃淬火组织由经过破碎的β相、TiB相以及少量析出的α相组成。800 ℃淬火后显微组织由重新结晶的β相与TiB组成，当硼含量为0.05%时，TiB以颗粒状居多，当硼含量为0.1%及以上时，TiB呈链状析出。硼元素含量越高，TiB析出越多。经过两相区1火次变形，原先细长的硼化物被破碎，但是仍然没有改变硼化物链状的形态，没有均匀分布在组织中，说明变形量可能不够大。

Ti-1023合金铸锭经开坯、β相区变形，并在两相区经过2火次变形后，经765 ℃×2 h/WQ固溶得到不稳定β相，在515 ℃×8 h/AC时效过程中发生β→β+α转变，微观组织照片见图5。

图5 Ti-1023合金经固溶与时效后的微观组织照片Fig.5 Microstructures of Ti-1023 alloy after solution and aging treatment

从图中可以看出，含硼钛合金的微观组织主要由弥散分布的α相与TiB相组成，TiB相与钛合金基体之间界面清晰。经过两次相变点以下变形，原先细长的TiB晶须得到充分破碎。当硼含量为0.05%时，TiB相主要以颗粒状为主，均匀分布于钛合金基体中，与α相一样，对基体有较好的增强作用。当硼含量为0.1%与0.2%时，生成的TiB较多，但是仍然为细小的针状，长度一般不超过20 μm。

经固溶+时效处理的Ti-1023合金棒材的力学性能如表3所示。从表3可以看出，由于TiB的增强作用，添加硼元素后，钛合金的抗拉强度普遍超过了1 270 MPa。当硼含量为0.05%时，强度提高最明显。当硼含量增加时，强度有小幅下降趋势，当硼含量为0.2%时，抗拉强度较硼含量为0.1%时下降了1 MPa，屈服强度增加了9 MPa，这说明硼含量在0.1%到0.2%之间时，抗拉强度与屈服强度都变化不大。随着硼含量的增加，钛合金的塑性和韧性呈明显下降的趋势。这主要是因为TiB是脆性相，含量越多导致塑韧性越低。当硼含量为0.2%时，Ti-1023合金棒材的伸长率已经低于β钛合金的最低使用要求了[16]。由此可知，对于Ti-1023合金，硼含量为0.1%以内时，可以获得较好的强度-塑性匹配。

表3 热处理后锻态Ti-1023合金的力学性能

3 结 论

(1)硼元素作为一种高效的细化剂，能显著细化Ti-1023铸造钛合金组织。

(2)在亚共晶钛合金中，硼化物主要为TiB，倾向于以链状析出，对其进行充分的变形，能使其充分破碎。

(3)硼对钛合金力学性能的影响较大，Ti-1023合金对硼元素高度敏感，微量的硼就能显著增大钛合金的强度，硼含量在0.1%到0.2%之间时，抗拉强度与屈服强度波动不大，但是塑性显著下降。为了得到良好的强度-塑性匹配，最佳硼添加量不应大于0.1%。

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Effect of Boron on the Microstructure and Tensile Properties of Ti-1023 Alloy

Meng Yao, Huang Lijun, Zhang Mingjie,Zhang Wenqiang

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

Experimental ingots of Ti-1023 alloy with boron which were obtained by vacuum consumable arc melting furnace were forged into bars. Metallographic microscope, electron probe and mechanical tests were used to analyze macro and micro structure and performance. This paper studied the effect of boron on the microstructure and properties of Ti-1023 alloy as cast and forged. It is found that the boron as a highly effective element can significantly refine the grain size of Ti-1023 cast alloy. Borides tend to precipitate in chain shape and sufficient deformation can make TiB fully broken. Trace amount of boron can significantly increase the strength of titanium alloy and when the content of boron is between 0.1% and 0.2%(w/%), the tensile and yield strength are barely changed while plasticity decreases significantly. To get excellent strength and plasticity match, the best boron addition amount should not be more than 0.1%.

βtitanium alloy; Ti-1023; boron; microstructure and tensile properties

2016-06-15

孟瑶(1987—)，男，工程师。

TG146.2+3

A

1009-9964(2016)04-0026-05