β型γ-TiAl合金热变形过程中组织演化及动态再结晶行为研究现状

强凤鸣，寇宏超，贾梦宇，唐斌，李金山

β型γ-TiAl合金热变形过程中组织演化及动态再结晶行为研究现状

强凤鸣，寇宏超，贾梦宇，唐斌，李金山

（西北工业大学 凝固技术国家重点实验室，西安 710072）

TiAl合金以其低密度、高比强和良好的抗蠕变性等优点，已在航空发动机上获得应用。先进的β型γ-TiAl合金通过引入一定量的β/B2相，显著改善了合金的热加工能力，该类合金更适合热机械加工。对β型γ-TiAl合金热机械加工过程中的组织演化和变形行为形成完整的认识是制定和优化热加工工艺的前提。综述了β型γ-TiAl合金的不同初始组织在热机械加工过程中的组织演变及其动态再结晶机制，指出当热加工温度低于γ,solv时，组织演化主要与（α/α2+γ）片层团的破碎有关；当热加工温度高于γ,solv时，主要与α相的动态再结晶有关，同时分析了β相的存在对（α/α2+γ）片层团以及α相动态再结晶的影响，最后对β型γ-TiAl合金热变形过程中的基础问题进行了总结和展望。

TiAl合金；热机械加工；变形行为；再结晶；组织演化

航空航天工业的发展，使人们以更轻的质量、更高的使用温度和更快的运行速度为设计理念，对发动机材料的使用性能提出了更加苛刻的要求。TiAl合金作为一种新型高温结构材料，具有低密度、高比强度、高比模量和良好的抗蠕变、抗氧化、抗燃烧性能等诸多优点[1-4]，在航空发动机上可用于制备低压涡轮叶片、高压压气机叶片和机匣等，对提高发动机的推重比和燃油效率具有重要作用，同时也可减少有害气体排放和噪音污染[5-7]。2007年，美国Boeing公司宣布在GEnx发动机中采用由铸造Ti-48Al-2Cr-2Nb合金制造的第6和7级低压涡轮叶片，这是TiAl合金首次应用于商用飞机发动机的旋转部件[8-10]。这种传统γ-TiAl合金中添加的合金元素种类较少、含量较低，而Al含量较高（原子数分数为47%～48%），虽然具有塑性、韧性较高的优点，但其强度通常都较低，抗蠕变和抗氧化性能不高，使用温度一般不超过700 ℃，其次，TiAl合金的室温塑性低、热成形能力差、热加工窗口窄一直是限制其广泛应用的主要因素[11-13]。

为了提高γ-TiAl合金的热加工能力和使用温度，研究人员通过控制Al含量、添加适量的Nb和Mo等β稳定化元素开发出了β型γ-TiAl合金，该类合金的化学成分可概括为[2,7-8]：Ti-(42-45)Al-(0-10)- (0-3)-(0-1)-(0-0.5RE)，其中，指Cr，Mn，Nb，Ta等元素；指Mo，W，Hf，Zr等元素；指C，B，Si等元素；RE是指稀土元素。与传统的γ-TiAl合金相比，β型γ-TiAl合金中Al的原子数分数通常≤45%，合金化程度较高，因此其强度、抗蠕变及抗氧化性能均有一定程度的提高，显著提高了TiAl合金的使用温度上限。此外，由于β稳定化元素的引入，合金中含有一定量β/B2相，其在高温下为BCC结构，能够提供大量的独立滑移系，从而显著改善合金的热加工能力，因而该类合金也称为变形TiAl合金，更适合热机械加工。典型代表为由奥地利、德国等国家的多家单位合作开发出的TNM（Ti-(43-44)Al-4Nb- 1Mo-0.1B）合金[14]，利用该合金锻造成形的低压涡轮叶片已在PW1100G型航空发动机上获得应用[15]。

在国外，满足部件尺寸要求的高质量TiAl合金挤压棒材、锻件和板材均具备工业化生产能力[1,8,16-17]。我国虽然在TiAl合金轧制板材和大尺寸锻件制备上有所突破[18-21]，但在工艺稳定性和质量控制上还有待提高。研究β型γ-TiAl合金热加工变形行为是设计和优化热加工工艺参数的基础，当前的研究主要集中在2个方面：一方面是以优化热加工工艺参数为目标，通过热加工过程中应力-应变数据，构建热加工图以实现指导生产应用的目的；另一方面是以TiAl合金在热加工过程中组织演化及动态再结晶为主的机理性研究。对于热加工图的建立，其研究过程是结构化的，有固定的模式，但对于机理性的研究则相对复杂而抽象。研究TiAl合金热机械加工过程中的基础问题，包括组织演变与动态再结晶机制等，可为合理制定热机械加工工艺提供强有力的指导作用，从而促进我国β型γ-TiAl合金向工程化应用的发展。目前，相关学者针对β型γ-TiAl合金的变形机制及其组织调控方法进行了大量的科学研究，由于β型γ-TiAl合金成分的多样性，热加工工艺参数的选择也各不相同，因此研究内容比较分散。事实上，TiAl合金热机械加工过程中的组织演变与再结晶机制主要与变形温度下的相组成及组织状态有关，因此文中以β型γ-TiAl合金的变形温度为参照，系统总结近年来不同初始组织在热机械加工过程中的组织演化、动态再结晶机制以及热/力诱导相变等，期望通过深入理解TiAl合金热变形过程中的基础问题，以此指导和控制工业尺寸TiAl合金的加工成形过程，制备大尺寸、高质量的TiAl合金材料。

1 β型γ-TiAl合金中各相的变形机制

图1 TNM合金体系的伪二元相图[22]与TNM合金的铸态组织

2 热变形过程中的组织演变规律及动态再结晶行为

2.1 热加工温度低于Tγ,solv

值得注意的是，TiAl合金片层组织在变形过程中存在明显的各向异性，据此可将其分为3种典型的取向：① 当片层界面平行于应力轴时，为硬取向I；② 片层界面垂直于应力轴时，为硬取向Ⅱ；③ 片层界面与应力轴倾斜时，处于软取向。软取向片层团内产生的位错可在片层内滑移，与片层界面的交互作用小，因而位错的滑移程长，只能在一个区域内堆积或在片层团边界处堆积，故动态再结晶通常优先从片层团边界处开始，然而硬取向I反而是最有利于动态再结晶的[24,30]。在这种情况下，交叉孪晶可被大量激活，其剪切方向与片层界面成一定夹角，需要穿过片层界面继续进行剪切，但是片层界面对孪生的剪切变形具有强烈的阻碍作用，相应地就会导致在剪切带的前端存在较高的约束应力，进而激活其他的滑移系，这种变形孪晶、位错和界面的交互作用可为动态再结晶提供更多形核质点。CHENG等[27]指出片层扭折和弯曲变形也多发生在硬取向I的片层团内，通过扭折带的建立，可将硬取向I的片层团分解成多个软取向的区域，甚至变成硬取向Ⅱ的片层团。硬取向Ⅱ的片层团为最稳定的取向，位错滑移很难激活，虽然可产生变形孪晶，但无法形成交叉孪晶[24]，变形组织中残余的片层团均表现为该取向。

图2 TiAl合金中(α+γ)片层组织在热机械加工过程中的组织演化机制[24-27]

部分研究[25,31]也对（α+γ）片层团中γ相和α相的动态再结晶分别展开了讨论，指出γ相的堆垛层错能（SFE）较低，而α相的堆垛层错能相对较高，具有低层错能的γ相容易发生动态再结晶，而高层错能的α相有利于发生动态回复，直到局部应变达到其动态再结晶临界应变。因此，γ板条比α板条更容易发生再结晶，当γ板条发生动态再结晶形成细小的动态再结晶晶粒时，α板条内部仅形成少量的小角度晶界或者亚晶界，发生弯曲变形，但在片层结构中仍处于板条状态。因而，随着变形温度的升高，α相的体积分数和片层间距逐渐增加，片层团越难发生动态再结晶，导致残余片层团数量增加[24-26]。反之，若变形温度降低，热激活能减少，变形抗力增大，也会导致材料发生破坏，因而合理选择变形温度至关重要。

β相通常以块状形式残存于片层团的边界处，对TiAl合金的热变形存在显著的影响。众所周知，β相在高温下比α相和γ相软，为BCC结构，具有足够数量的独立滑移系，可充当润滑剂的作用，能够协调不同取向片层团之间的变形来释放局部的应力集中，同时还可以为片层团的转动提供空间，从而大大改善TiAl合金的热加工性[30,32-33]。LIU等[34]研究指出，虽然β相对TiAl合金的热成形有利，但是由于高温下β相比γ和α相更易变形，大量的应变能集中在β相上，降低了作用在其他两相上的应变能，即降低了γ和α相动态再结晶的驱动力，一定程度上抑制了其再结晶的发生，这也是含β相TiAl合金激活能的值较两相TiAl合金高的一个原因。相同应变量下，含β相的TiAl合金中残余片层团含量较高，但是由于合金变形能力的改善，可以通过增加变形量来获得动态再结晶充分的组织。此外，添加Cr和Mo等合金元素引入β相的同时也会降低γ相的堆垛层错能，促进其孪生变形机制的发生[30,32]。对于β相本身的变形而言，在相同变形量、采用高应变速率的压缩条件下，β相通常呈连续长条状分布在片层团边界，无球化及再结晶特征；而在低应变速率下，由于高温变形时间延长，晶界β相会发生动态再结晶并破碎球化，并与再结晶等轴γ相共同分布在残余片层团边界形成链状组织。由于β相的层错能较高，首先倾向于发生动态回复，使位错发生重排，形成亚晶；随着变形加剧，小角晶界不断吸收位错，增大取向差，逐渐演变为大角晶界，形成新的动态再结晶β晶粒[28,35]，即发生连续动态再结晶。

综上，β型γ-TiAl合金在低于γ,solv进行热机械加工时，其变形组织通常由再结晶的等轴γ晶粒、再结晶的等轴α晶粒冷却后形成的片层团、被拉长的β相以及残余的粗大片层团组成。这种残余片层团的存在归结于片层团的强烈各向异性，通过减小初始片层团尺寸、增加γ片层间距、合理选择变形温度并以相对高的应变速率进行多道次加工，有望减少残余片层团的数量。

2.2 热加工温度高于Tγ,solv

图3 Ti-44.81Al-3.96Nb-0.98Mo-0.15B (原子数分数)合金在1280 ℃(α单相区)单轴压缩过程中高温α相的连续动态再结晶行为[42]

CLEMENS团队[31,43]利用原位高能X射线衍射技术研究了TNM合金在（α+β）相区的变形行为，根据变形过程中α相衍射峰的变化情况指出其经历了动态回复和连续动态再结晶，同样地，β相在变形过程中也经历了一个动态回复的过程。β相的存在势必也会影响α相的变形行为，一方面，软质β相可协调部分应变，减少α相内所承受的应变，降低α相动态再结晶的驱动力，因而需要增加变形量来促使α相发生完全动态再结晶；另一方面，β相的存在可有效抑制α晶粒的长大[44]。然而，也有研究表明[45]，TNM合金在（α+β）两相区进行快速大挤压变形时，组织表现出明显的不均匀性，除了变形后被拉长的β条带之外，显微组织中还存在着微纳尺度的β颗粒，如图4所示。这些β颗粒可分为2种：一种为晶间β颗粒，其至少与一个相邻的α晶粒符合Burgers取向关系；另一种为晶内β颗粒，其与基体α晶粒不存在任何特定取向关系。这是由于在快速大变形条件下产生了绝热升温，一方面诱导了α→β相变，该相变优先在α晶界处发生，产生晶间β颗粒；另一方面，绝热升温也会造成α晶粒异常生长，当α晶粒发生异常长大时，就会吞并相邻细小的α晶粒以及晶间β颗粒，因而产生了这种与基体α晶粒没有任何特定取向关系的晶内β颗粒。这种晶内β颗粒若在冷却过程中通过成分扩散被溶解，则不会对合金性能产生影响；但若保留下来，则会影响冷却过程中γ片层的析出，破坏片层组织的完整性，损害合金性能。因此，在热机械加工过程中，尤其是快速大变形条件下，还需合理选择变形温度，避免由于绝热升温造成类似的组织不均匀性。

图4 TNM合金在(α+β)两相区快速大挤压变形过程中绝热升温诱导α→β相变以及晶粒异常长大吞并第二相的现象[45]

3 结语与展望

TiAl合金作为一种新型高温结构材料，凭借其优异的高温性能，已在国外多种型号的主流航空发动机上获得应用。近些年来，相关学者针对β型γ-TiAl合金在热机械加工过程中的组织演变及潜在的动态再结晶机制进行了大量的研究，从而为β型γ-TiAl合金组织调控方法以及工业化加工成形等奠定了重要的理论基础。然而，β型γ-TiAl合金的变形机制较为复杂，再加上多种相变行为的干扰，其组织演变规律难以厘清，目前仍有许多方面值得系统研究。

1）针对β型γ-TiAl合金中（α/α2+γ）片层团的变形行为，虽有研究分别讨论了α2相和γ相各自的再结晶行为，但这两相之间如何协调变形尚不清楚。此外，γ/γ界面以及α2/γ界面对位错滑移的阻碍程度可能不同，从而影响合金的变形行为，这些方面仍缺乏细致研究。

2）针对γ,solv转变温度之上的热变形，目前的研究相对较少，高温α相变形过程中的位错运动情况无法通过直观的手段进行观察，其潜在的变形机制尚需验证。因此，需设计合适的合金成分及热加工工艺探明α相的变形机制。

3）晶体结构本身决定了α相的变形行为存在着明显的各向异性，往往会产生不均匀的组织，那么晶间β相的存在对α相变形组织均匀性的影响到底是利是弊，是否可以通过控制初始组织中β相的含量来获得一个均匀的变形组织等，这些均需进一步研究。

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Microstructure Evolution and Dynamic Recrystallization Behavior in β-Solidifying γ-TiAl during Thermomechanical Processing

QIANG Feng-ming, KOU Hong-chao, JIA Meng-yu, TANG Bin, LI Jin-shan

(State Key Laboratory of Solidification Processing, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China)

Due to the low density, high specific strength and good creep resistance at high temperature, TiAl alloys have been successfully used in aero-engines. Through introduction of high content of β-stabilizing alloying elements, the advanced β-type γ-TiAl alloys possess improved thermal workability and are more suitable for thermomechanical processing. A thorough understanding of the microstructure evolution and deformation mechanism of the β-type γ-TiAl alloys during thermomechanical processing is the prerequisite for formulating and optimizing the processing parameters. Therefore, the microstructure evolution and dynamic recrystallization mechanism of β-type γ-TiAl alloys with different initial microstructures during thermomechanical processing were reviewed and discussed. It was pointed out that when the thermal processing temperature was lower thanγ,solv, the microstructure evolution was mainly related to the fragmentation of the α2/γ lamellar colonies. When the thermal processing temperature was higher thanγ,solv, the microstructure evolution was mainly related to the dynamic recrystallization of the α phase. Besides, the effects β phase on the α2/γ lamellar colonies and the dynamic recrystallization of the α phase were analyzed. The fundamental issues related to β-type γ-TiAl alloys during thermomechanical processing are summarized prospected.

TiAl alloys; thermomechanical processing; deformation behavior; recrystallization; microstructure evolution

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.01.002

TG146

A

1674-6457(2022)01-0011-08

2021-12-09

强凤鸣（1992—），女，博士生，主要研究方向为钛铝合金及其组织调控技术。

寇宏超（1973—），男，博士，教授，主要研究方向为高性能钛合金及其制备成形技术。