初生α相含量对TC18时效组织及力学性能的影响

辛宏靖，廖敏茜，王潇汉，陈志宏，陈盅成，王平

初生相含量对TC18时效组织及力学性能的影响

辛宏靖，廖敏茜，王潇汉，陈志宏，陈盅成，王平

（东北大学 材料电磁过程研究教育部重点实验室，沈阳 110004）

探究TC18合金中初生相含量对时效后次生片层形貌及力学性能的影响。通过改变两相区固溶温度控制初生相含量，观察固溶后合金元素分布及相同时效后合金的组织形貌，研究固溶温度对合金拉伸性能的影响。固溶过程中发生元素再分配，固溶温度低，初生相含量高，基体中稳定元素含量高，基体稳定性强，抑制时效过程中次生片层析出，时效强化效果弱。固溶温度高，基体稳定性弱，促进时效过程中次生片层析出，时效强化效果显著。固溶温度升高，初生相比例降低，即基体稳定性降低，促使时效过程中大量次生相析出，显著提高合金强度。

初生相；热处理；力学性能；元素再分配

钛合金因其比强度高、耐腐蚀和耐高温性能良好等优异特性被广泛应用于航空航天、深海勘探、生物医学等诸多领域[1—3]。近年来，随着各领域技术对钛合金需求的不断增加，高强钛合金得到了快速发展，高强亚稳钛合金应运而生，如-21S，-C，TC18等[4—6]。与传统的+两相钛合金相比，亚稳钛合金通过热处理可获得多种形态组织结构。组织结构决定了合金力学性能，通过热处理调控合金组织进而改善力学性能是最经济且有效的手段[7]。在适当的热处理工艺条件下，可以获得非常细小的片层，片层尺寸可达到几百甚至几十纳米，大幅提高合金强度[8—10]。

研究表明，在TC18钛合金中固溶温度和时间决定了初生相的形态及比例，时效温度和时间决定了次生相的尺寸及含量，两者的综合作用决定了合金的力学性能[11]。细化次生相提高钛合金强度是高强钛合金强塑化研究的重点，主要通过调整时效制度，利用相辅助形核细化次生相机制可显著提高合金强度，同时塑性急剧降低[12]。

文中通过调控固溶温度获得不同的初生相含量，保证合金塑性的同时研究了初生相含量对基体中稳定元素分布及其对次生相的形貌及尺寸的影响，并对合金强度及塑性变化进行深入研究。

1 实验

采用TC18钛合金单相区锻造棒材，直径为55 mm，其名义化学成分为5Al-5Mo-5V-3Cr，原始组织如图1所示。通过金相法测得合金的相转变温度约为810 ℃。设置固溶温度为700，730，760，790 ℃(温度区间为30 ℃)。试样在两相区不同固溶温度下保温1 h，水冷（W.Q.）至室温，再经560 ℃下时效4 h，空冷至室温（A.C.），具体热处理工艺如图2所示。选用35 mm×20 mm×60 mm块状材料进行热处理实验，并进行组织观察、元素分析及拉伸性能测试。拉伸试样平行段长度为25 mm，直径为5 mm，拉伸速率为0.5 mm/min，匀速拉断。组织分析试样尺寸为10 mm×10 mm×10 mm，进行打磨、抛光，以氢氟酸、硝酸和水的体积比为2︰1︰97的腐蚀剂浸泡，获得最终试样。采用岛津公司SHIMADZU SSX-500扫描电子显微镜（SEM）观察其微观形貌；采用日本电子株式会社JEOL JXA-8530F电子探针（EPMA）对试样进行元素分布分析；采用岛津公司AG-X100KN电子万能材料试验机进行拉伸测试，并使用SEM观察拉伸断口形貌。

2 结果与讨论

2.1 固溶温度对合金初生α相比例的影响

合金经700，730，760，790 ℃固溶1 h后水冷至室温的显微组织如图3所示。基体中均匀分布了短棒状及板条状初生相，随固溶温度升高，初生相比例降低且相面密度降低，相尺寸变化不明显。经多视场统计不同固溶温度下初生相比例，结果如下：700，730，760，790 ℃固溶初生相比例分别为30%，21%，13%，5%。固溶温度为700 ℃和730 ℃时，合金中存在着大量尺寸不足微米的小尺寸初生相分布在较长板条状相周围（见图3a和b）；固溶温度为760 ℃和790 ℃时，合金组织中仅有极少量不足微米的小尺寸初生相（见图3c和d）。板条状初生相含量并没有随着固溶温度的改变而发生明显变化。实验结果表明固溶温度升高，较小尺寸的初生相率先溶解，根据最小界面能原理，初生相尺寸越小，其表面能越高即越不稳定，因此会在固溶过程中优先溶解[13]。与此同时，相向相转变的过程中会伴随元素扩散，小尺寸的初生相有利于合金原子扩散，也促进了小尺寸相的溶解，因此随着固溶温度升高，初生相含量降低，小尺寸的初生相优先溶解。

图1 TC18合金原始锻造组织

图2 热处理工艺流程

2.2 初生α相比例对合金时效组织的影响

合金经不同温度固溶后进行时效处理（560 ℃- 4 h-A.C.）得到的显微组织见图4。在图4a中能观察到大量的初生相和极少量的次生片层（图4a中红色区域），图4b—d中不仅能够观察到含量逐渐降低的初生相，而且在基体上观察到均匀分布的细小片层状次生相，且片层状次生相长度不足微米。不同固溶温度下初生相比例会影响次生相片层形貌及分布。固溶温度较低时，初生相片层间隙小，抑制了次生相片层长大；随着固溶温度升高，板条状初生相含量显著降低且间隙增大明显，即相比例增加，时效后于基体中析出更多的次生片层，且次生片层长度增加。

基体中合金元素含量会影响时效组织中次生相的析出。合金经760 ℃固溶后显微组织及对应的主要合金元素分布见图5。可以观察到Al（稳定元素）聚集在相内，Mo，V和Cr（稳定元素）聚集在相内，这是两相钛合金典型的元素再分配现象[14]，因此固溶温度越低，相比例越高即相比例越低，导致相内稳定元素含量高，因此相更稳定，时效过程中次生相形核困难。随着固溶温度升高，初生相比例降低，相比例增加，稳定元素含量一定，平均分配到基体中的含量降低，从而导致相稳定性降低并于时效过程中发生分解，促进次生相形核，因此随着固溶温度升高，基体中析出更多的次生相。

图3 合金于不同固溶温度保温1 h后水冷至室温显微组织

图4 合金于不同固溶温度下进行560 ℃-4 h-A.C.时效处理后显微组织

图5 合金经固溶处理后显微组织及合金元素分布

2.3 固溶温度对合金力学性能的影响

对不同热处理制度的TC18合金进行拉伸试验，得到其应力应变曲线如图6所示。根据合金强度、塑性随固溶温度变化的关系曲线可以看出，随着固溶温度的升高，合金抗拉强度和屈服强度均升高，而伸长率降低，固溶温度为790 ℃时，合金强度最高，其屈服强度达到1299 MPa。时效过程形成的大量次生片层是强化亚稳钛合金最常用且最有效的析出强化手段。次生片层能够有效阻碍变形过程中位错运动，提高合金强度[15]。结合合金显微组织发现，固溶温度越高，次生片层含量越高，固溶温度为790 ℃时合金初生相比例仅为5%，即相比例为95%，且此时相中稳定元素含量最低，时效过程中会促进次生相片层的析出，对合金的强化效果最强，因此合金固溶温度为790 ℃时合金强度最高，此时伸长率约10%，仍能保持较高水平。这是由于初生相比例降低，但并未完全消失，初生相尺寸较大，内部会产生滑移和孪晶，能够容纳大量位错[16]；同时细小的次生片层结构含量增加，提高了合金强度但不能提供合金的持续变形，因此使合金塑性略有降低。

图6 合金经不同固溶温度及统一时效热处理后工程应力-应变曲线

3 结论

1）随着固溶温度的升高，合金初生相比例降低，间隙增加，尺寸变化不明显。

2）固溶过程发生元素再分配，稳定元素聚集在相内，稳定元素聚集在相内，固溶温度升高，相稳定性降低，促进时效过程次生相析出。

3）固溶温度升高，细小次生片层含量增加，阻碍位错运动，导致强度升高；同时合金中能够提供持续变形的初生相比例降低，塑性略有下降。

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Effect of Volume Fraction of PrimaryPhase on Mechanical Property in TC18 Alloy

XIN Hong-jing, LIAO Min-qian, WANG Xiao-han, CHEN Zhi-hong, CHEN Zhong-cheng, WANG Ping

(Key Laboratory of Electromagnetic Processing of Materials, Ministry of Education, Northeastern University, Shenyang 110004, China)

The effect of volume fraction of primaryphase on alloy element partitioning, the morphology of secondarylamellae and the tensile property in TC18 alloy were studied. The volume fraction of primaryphase and the morphology of secondarylamellae were characterized and the tensile properties were tested at different solution temperatures. The results showed that element partitioningat low solution temperature led to the inhibition oflamellar precipitation. On the contrary, the volume fraction of primaryphase decreased, and the content ofstabilizing elements inmatrix decreased with the increase of solution temperature. This resulted in a large number of secondaryphase precipitated during the aging process to enhanced the strength of the alloy.

primaryphase; solution temperature; mechanical property; element partitioning

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.03.018

TB31

A

1674-6457(2021)03-0143-05

2021-02-17

国家自然科学基金（51690161）；东北大学“大学生创新训练计划”（200265）

辛宏靖（1998—），女，材料成型及控制工程专业本科生。

王平（1964—），男，博士，教授，主要研究方向为层状金属复合技术、材料的半固态加工理论与技术、轻金属的电磁冶金。