α2+B2相区等温锻造及热处理对Ti-22Al-25Nb合金组织和性能的影响

梁晓波，马 雄，张建伟，程云君,曾卫东,王 伟

(1. 钢铁研究总院, 北京 100081) (2. 西北工业大学, 陕西 西安 710072)

0 引 言

随着航空工业迅速发展，对航空材料的性能要求越来越高，尤其是对航空发动机材料，迫切要求其进一步降低密度和提高高温服役性能[1-2]。Ti2AlNb基合金质轻，室温塑性和高温强度好，断裂韧性高，抗蠕变、疲劳和氧化性能优良，成为航空发动机高温零部件的首选材料之一[2]。近十几年来，国内一些材料研究单位针对该合金体系展开了广泛研究，并取得了较大进展。其中，钢铁研究总院研制的成分为Ti-22Al-25Nb(原子分数)合金表现出了优异的综合性能，成为研究热点[1-2]。

Ti2AlNb基合金不同于传统的钛合金，它属于三元体系，相变关系极为复杂，微观组织对热机械加工工艺制度非常敏感[3]。不同热加工工艺制度下的Ti2AlNb基合金，可能包含α2相(有序密排六方相，基于Ti3Al的DO19结构)、 O相(有序正交相，基于Ti2AlNb的Cmcm结构)、B2相(有序体心立方相)中的两相或三相，而各个相所起的作用又各不相同[4]。因此，系统认识合金的微观组织演变规律，有效控制其微观组织变化，就显得十分重要。

目前，Ti2AlNb基合金的热加工理论主要依赖传统的两相钛合金以及α2基TiAl系金属间化合物的加工理论，其热机械加工方法主要为传统的挤压、锻造、轧制等热加工工艺方法[5]。等温锻造与传统的热轧、锻造相比，能够明显改善材料显微组织的均匀性、提高室温塑性，是一种重要的热机械加工方法。但是，目前有关Ti2AlNb基合金等温锻造方面的研究鲜有报道。因此，迫切需要探究其在等温锻造过程中显微组织的演变规律，明晰显微组织与力学性能之间的关系，这对Ti2AlNb基合金的工程化应用具有重要意义。

本研究探讨了α2+B2相区等温锻造和热处理对名义成分为Ti-22Al-25Nb的Ti2AlNb基合金显微组织和力学性能的影响，以期获得具有优良组织状态的Ti-22Al-25Nb合金，其室、高温综合性能能够满足工程化应用的要求。

1 实 验

实验原料为钢铁研究总院提供的φ150 mm Ti-22Al-25Nb合金锻棒，其化学成分见表1。

表1 Ti-22Al-25Nb合金的化学成分(x/%)

将原料棒材在α2+B2相区(1 040 ℃)进行等温锻造。为了研究该合金等温锻造后热处理组织的演变规律，在等温锻造件上取样，分别于920、940、960 ℃固溶1 h后水冷，观察显微组织，选出最佳固溶处理温度。再在等温锻造件上取样，在最佳固溶温度进行固溶处理，随后分别在760、800、840 ℃，进行12 h、炉冷时效处理。

采用X射线衍射(XRD)技术分析物相结构。采用扫描电镜(SEM)附带背散射(BSD)技术分析微观组织。采用Instron-1196拉伸试验机测试室温以及650 ℃高温拉伸性能。每种制度取3个试样，结果取平均值。

2 结果和讨论

2.1 等温锻造对Ti-22Al-25Nb合金显微组织的影响

图1为Ti-22Al-25Nb合金原始锻棒及其在α2+B2相区等温锻造后的显微组织照片和XRD图谱。

从图1a中可以看到，原始棒材的显微组织由等轴α2相、O相包裹着的等轴α2相、排列方向杂乱的细小板条状O相和B2相基体组成。等轴α2相颗粒呈椭圆形，尺寸大约为2～9 μm，不均匀地分布在B2相基体中，且大多数分布在B2相晶界处，抑制了B2相晶粒的长大，因而B2相晶粒尺寸较小。采用截线法测量统计后得出，B2相的平均晶粒尺寸约为35 μm。O相包裹着的等轴α2相颗粒是α2相与B2相发生包析反应得到的[3]。细小板条状O相是在棒材锻造后冷却过程中析出的。

XRD分析(图1b)也进一步表明，Ti-22Al-25Nb合金原始锻棒的显微组织主要由α2、B2以及O相组成。

等温锻造是获得理想显微组织的重要工艺之一。原始锻棒在α2+B2两相区等温锻造后的显微组织见图1c。可以看出，等温锻造后的显微组织仍然由等轴α2相颗粒、O相包裹着的等轴α2相、细小的板条状O相与B2基体组成。与原始锻棒组织相比，由于等温锻造的温度提高到了α2+B2两相区，等轴α2相颗粒发生溶解，数量减少，尺寸有所下降。等轴α2相颗粒仍倾向于不均匀地分布在B2相晶内和晶界处，勾勒出原始B2相晶粒的轮廓，尺寸明显增大，平均尺寸约为150 μm。板条状的O相是在等温锻造后的冷却过程中形成的。

由Ti-22Al-25Nb合金α2+B2两相区等温锻造后XRD图谱(图1d)可以看出，(202)α2、(201)B2以及(312)O的衍射峰要强于其他晶面的衍射峰，进一步证明其显微组织由α2、B2以及O相组成。

2.2 固溶处理对Ti-22Al-25Nb合金显微组织的影响

图1 Ti-22Al-25Nb合金原始锻棒及其等温锻造后的显微组织照片和XRD图谱Fig.1 Microstructures and XRD patterns of Ti-22Al-25Nb alloy of the as-forged and after isothermal forging:(a)microstructure,as- forged；(b)XRD patterns,as-forged;(c)microstructure,after isothermal forging;(d)XRD patterns,after isothermal forging

图2为等温锻造Ti-22Al-25Nb合金经不同温度固溶处理后的显微组织照片。从图2可以看出，等温锻造Ti-22Al-25Nb合金经过920～960 ℃固溶处理后,显微组织主要发生了以下变化：等轴α2相颗粒进一步分解，形成细针状O相；板条O相溶解，变粗、变短；细针状O相随着固溶温度升高粗化，并发生静态球化。920 ℃固溶处理的(图2a)，等轴α2相颗粒不稳定，有细针状O相从颗粒内部析出，同时板条O相变宽、变短。940 ℃固溶处理温度的(图2b)，等轴α2相颗粒分解形成的针状O相变短、粗化，更多的板条状O相溶解到B2基体中，组织中O相含量减少，且另有部分O相发生静态球化而变成球形。960 ℃固溶处理温的(图2c)，板条状O相溶解的更多，或通过静态球化转变成等轴O相，等轴α2相颗粒再无明显地分解迹象。

图2 Ti-22Al-25Nb合金经不同温度固溶处理后的显微组织照片Fig.2 Microstructures of the Ti-22Al-25Nb alloy after different solution treatments:(a)920 ℃;(b)940 ℃;(c)960 ℃

Banerjee[3]及武英[6]等人此前的研究也发现了“Ti2AlNb基合金热处理过程中等轴α2相颗粒分解生成了细针状的O相的现象”，认为：α2相分解是上坡扩散过程，α2相中的Nb元素过饱和，在热处理过程中分解成贫Nb区和富Nb区；其中的富Nb区成分因接近Ti2AlNb而形成了O相，贫Nb区则依然保留α2相结构。

本研究的等温锻造是在α2+B2两相区进行的。由于等温锻造温度高，且加热及锻造时间较长，Nb元素向α2相扩散，形成了过饱和固溶体，因此再在O+B2相区(920～960 ℃)固溶处理时，有细针状O相从等轴α2相颗粒中析出。其中940 ℃固溶的，显微组织中含有少量的粗板条O相，保留了较多的B2相基体，可为后续时效过程弥散析出针状O相提供动力。因此940 ℃为较优的固溶温度。

2.3 时效处理对Ti-22Al-25Nb合金显微组织的影响

图3为Ti-22Al-25Nb合金经940 ℃固溶处理、760～840 ℃时效处理的显微组织照片。从图中可以看出，经过760～840 ℃时效处理后，Ti-22Al-25Nb合金的显微组织主要发生了如下变化：从B2基体中析出二次针状O相，且随着时效温度升高，二次针状O相变粗、变短。760 ℃时效的(图3a)，析出的二次针状O相较细。 840 ℃时效的(图3c)，析出的二次针状O相较粗。

图3 Ti-22Al-25Nb合金经940 ℃固溶+不同温度时效处理后的显微组织照片Fig.3 Microstructures of the Ti-22Al-25Nb alloy with 940 ℃ solution and then different aging treatments: (a)760 ℃(HT-760);(b)800 ℃(HT-800);(c)840 ℃(HT-840)

前述热处理对α2+B2相区等温锻造Ti-22Al-25Nb合金显微组织的影响规律分析中已经说明，O相的显微组织形态主要有3种：①从α2相中析出的细针状O相，它是由α2相分解形成的，α2→α2(Nb-lean)+O(Nb-rich)，且随着固溶处理温度的升高，针状板条O相增厚；②等轴O相，主要是板条O相通过静态球化过程衍变而来； ③从B2相基体中析出的板条状O相。它主要是在2个过程形成，一个是在等温锻造后的空冷过程，首先从等轴α2相中析出针状O相，该O相在随后的固溶处理时板条粗化；另一个是在时效过程，从残留B2基体中二次析出的板条状O相，此O相板条总体较细，并且随时效温度升高O相板条略微变粗。

2.4 热处理对Ti-22Al-25Nb合金拉伸性能的影响

α2+B2两相区等温锻造Ti-22Al-25Nb合金经940 ℃固溶、不同时效温度处理后的室温和650 ℃拉伸性能示于表2。由表2可知，Ti-22Al-25Nb合金随着时效温度的升高，无论是室温还是650 ℃高温均表现为强度降低，塑性提高。与室温拉伸性能相比，该合金650 ℃的拉伸强度降低了200～300 MPa，而延伸率最高值为19%，提高得并不多，仅为6%，但断面收缩率有较大幅度提高，表明其在高温下的颈缩较小。760 ℃时效的Ti-22Al-25Nb合金，其高温拉伸强度高的原因在于：低温时效处理时，析出了较多的二次O相，减小了B2相的体积分数，即为O相析出强化。

表2 α2+B2相区等温锻造Ti-22Al-25Nb合金不同热处理制度下的拉伸性能

图4为α2+B2两相区等温锻造Ti-22Al-25Nb合金经940 ℃固溶、不同时效温度处理后的室温拉伸断口的高、低倍照片。从图4a、4c可以看出，Ti-22Al-25Nb合金经不同热处理制度处理后，其室温断裂均以解理和小平面状的断裂为主，表现出脆性金属断裂的特征。进一步观察拉伸断口的高倍照片(图4b、4d)会发现：断口由B2相的韧性断裂和O相的小平面状脆性断裂组成，且由于HT-840试样中的B2相体积分数多于HT-760试样，因此其断口中的韧窝数量比较多，表现出的塑性指标也要高一些。

图4 Ti-22Al-25Nb合金室温拉伸断口照片Fig.4 Room-temperature fractographs of Ti-22Al-25Nb alloy: (a)macro-fractograph for HT-760; (b)micro-fractograph for HT-760; (c)macro-fractograph for HT-840; (d)micro-fractograph for HT-840

断口韧窝尺寸大小及深浅能够反映材料塑性的好坏。塑性差的，则断口上的韧窝尺寸较小，也较浅；反之，则断口韧窝尺寸较大，也较深。图5为α2+B2相区等温锻造Ti-22Al-25Nb合金650 ℃高温拉伸断口的高低倍照片。比较图5a、5b可以看到，不同时效温度下合金断口都呈现出撕裂棱和韧窝等特征，只是韧窝大小和深浅的区别。其中在840 ℃时效处理的(图5b)，断口韧窝相对深一些，尺寸也大一些，表明其塑性优于760 ℃时效处理的。

图5 Ti-22Al-25Nb合金650 ℃高温拉伸断口照片Fig.5 High-temperature fractographs of Ti-22Al-25Nb alloy at 650 ℃:(a)HT-760;(b)HT-840

3 结 论

研究了Ti-22Al-25Nb合金在α2+B2相区等温锻造及不同制度热处理时显微组织的演变及其对室温、高温拉伸性能的影响，得到如下主要结论。

(1)在α2+B2相区等温锻造后显微组织仍由等轴α2相颗粒、O相包裹着的等轴α2相、细小的板条状O相与B2基体组成；与原始锻棒组织区别是部分等轴α2相颗粒溶解，数量减少，尺寸下降。

(2)等温锻造后再在O+B2相区固溶处理，其组织中的等轴α2相颗粒分解，显微组织由等轴α2/O相颗粒、板条O相和B2基体组成，且随着固溶温度提高，板条O相溶解、变粗、变短。

(3)经过固溶加时效处理的Ti-22Al-25Nb合金，其显微组织从B2基体中析出二次针状O相，且随着时效温度升高，二次针状O相变粗、变短。其室温及650 ℃的高温拉伸性能随着时效温度升高，表现为强度降低而塑性提高。

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