固溶时效处理对BT25y钛合金显微组织及硬度的影响

王敬元，吴松全，张博华，辛社伟，杨 义，王 皞，黄爱军

(1.上海理工大学 材料科学与工程学院，上海 200093；2.西北有色金属研究院，陕西 西安 710016；3.Department of Materials Science and Engineering, Monash University, Clayton, VIC, 3800, Australia)

钛合金具有高比强度、良好的耐腐蚀性及耐热性等优良性能，在航空航天工业中得到了广泛的应用[1]。但是，随着航空发动机工业的飞速发展，对材料在极端环境下工作的高温强度和热机械稳定性提出了更高的要求[2]。基于这点，很多研究者开展了高温热强钛合金的研究。

BT25y属于α+β型变形热强钛合金[3]，是俄罗斯在BT25合金的基础上适当调整了Zr和Mo的含量。由于该合金添加了高熔点β稳定元素W，在相同的热加工或高温服役过程中比加入其他β稳定元素的合金具有更低的扩散系数，加工后得到的组织更加细小，合金的强韧性更好，同时在服役过程中组织的热稳定和热强性也更高。该合金的长时使用温度可达550 ℃，短时可达600 ℃，被推荐作为航空发动机高压压气机盘和叶片[4]材料。

钛合金的显微组织对力学性能有重大影响[5]。总体而言，具有细小等轴α晶粒的等轴组织具有更好的延展性和疲劳性能，层片组织具有更好的抗蠕变性能和断裂韧性，双态组织兼具以上两种组织的优点[6-8]。因此，为了提高钛合金的力学性能，锻造后的热处理对于进一步改善显微组织并满足相应的性能是非常必要的。

本文研究了固溶处理和固溶后时效处理对锻造BT25y合金组织形态特征、物相组成及显微硬度的影响，以期为该合金的性能优化提供参考，推动该合金的国产化应用。

1 试验材料及方法

试验材料为α+β两相区终锻BT25y合金，其化学成分为Ti-6.5Al-2Sn-4Zr-4Mo-1W-0.2Si(质量分数，%)，采用连续升温金相法测得其相变温度(β转变温度，Tβ)为(985±5)℃。块状试样(10 mm×10 mm×10 mm)的热处理在箱式炉(N31/H，Nabertherm GmbH)中进行，固溶温度选择在Tβ-70 ℃、Tβ-20 ℃和Tβ+30 ℃三个温度进行，时效温度为600 ℃，具体热处理参数如表1所示。

表1 试样的热处理工艺参数

热处理后，用于金相观察和维氏硬度测试的试样首先在镶嵌机(XQ-2B)中热镶，然后利用粗砂纸手动打磨掉试样表面在热处理过程中生成的氧化皮，再利用SiC砂纸(220～7000号)进行粗磨和精磨，最后利用金刚石抛光剂抛光至镜面状态。试样的腐蚀在2%HF+6%HNO3+92%H2O(体积分数)中进行，试样浸入腐蚀剂中约10～40 s，然后清洗吹干。金相观察在Quanta FEG 450型场发射扫描电镜(SEM)中进行，元素分析在SEM装配的Genesis Apollo X型能谱仪上进行分析，显微组织的定量分析在ImageJ Pro 8.0软件中进行。经金相观察后，试样在HVS-1000Z维氏硬度计上进行显微硬度测试，试验载荷砝码为1 kg，保载时间为10 s，每个试样进行不少于15次测试，然后计算其平均值和标准差。试样的物相分析在X-射线衍射仪(D8 ADVANCE)上进行，衍射条件为Cu Kα辐射(λ=1.5406 Å)，管电压40 kV，管电流40 mA，扫描速度2°/min，扫描步长0.02°。试样是在热处理样上截取，尺寸为10 mm×10 mm×2 mm，试样表面氧化皮去除后利用220～3000号SiC砂纸打磨后进行测试。

2 试验结果与讨论

2.1 固溶温度对显微组织的影响

图1为原始锻态和不同固溶温度处理后试样的显微组织照片。如图1(a～c)所示，锻态组织呈现典型的双态组织特征，其中颜色较暗的“等轴状”物相为初生α相(记为αp)，其晶粒尺寸约为5.71 μm，含量约为41%；包围在αp之外且呈连续分布的明暗衬度相间的组织为β转变组织(记为βt)，βt中低亮度的板条状物相为次生α相(记为αs)，厚度约为0.45 μm，较高亮度、呈连续分布的物相为β相。在Tβ以下固溶处理后，如图1(d～i)所示，随固溶温度的升高，αp的含量逐渐减少，尺寸逐渐减小，其中915ST试样的αp晶粒尺寸约为5.45 μm，含量约为41%；965ST试样的αp晶粒尺寸约为4.32 μm，含量约为2%；而915ST试样的αs厚度约为 0.03 μm，965ST试样的αs厚度约为0.23 μm。在Tβ以上固溶处理后，如图1(j～l)所示，1015ST试样的αp完全溶解，组织由锻态时的双态组织转化成了由片层状α相和β相组成的全片层状组织，其中α相的厚度约为0.11 μm。

图1 固溶试样显微组织的SEM照片

图2 锻态和固溶态试样的X射线图谱(a)和值(b)

BT25y合金属于α+β型变形热强钛合金，锻态组织呈典型的双态组织特征，经固溶处理后，αp和αs的形态和尺寸均发生了变化。低于Tβ固溶处理时，根据相平衡规律，锻态组织将于固溶温度转变成α相和β相两相平衡组织，α相与β相的比例符合杠杆定律。通常，随固溶温度的升高，α相的体积分数将逐渐降低，而β相的体积分数逐渐增加，达到Tβ时α相完全消失，组织将由单一β相组成。另一方面，α+β两相钛合金经固溶保温快冷(空冷或水冷)后，合金由α+β两相区(如915ST和965ST)或β单相区(如1015ST)冷却将进入α单相区。由于处于高温平衡的两相内部元素在快冷过程中来不及相互扩散以达到平衡状态，因此，α相的形态尺寸将完全保留至室温(即为αp)，而高温稳定相β相将会根据其稳定性不同而发生不同转变。通常，可以利用钼当量(Mo*)[9]定性评价合金或物相的β相稳定性，当β相的稳定性较高时，足够的冷速可使β相完全保留至室温；而当β相的稳定性较低时，快冷也无法使β相完全保留至室温，而将发生β相向α相或α′马氏体相变，组织呈现α(或α′)+β片层状形态(即为βt)，α(或α′)相转变量取决于高温β相的稳定性。利用能谱分析可见，915ST、965ST试样中βt的Mo*(Mo*%=w(Mo)+w(W)/2)分别约为8.9和6.9，而1015ST的Mo*约为6.2。可见，915ST、965ST和1015ST试样的高温β相的稳定性呈逐渐降低趋势，因此βt中的α(或α′)相含量将随固溶温度的升高而逐渐升高，表现在X射线谱中β相的含量随固溶温度升高而降低。αs(或α′)片层厚度随固溶温度升高的变化较特殊，呈现了先增加再减少的趋势。其中915ST试样的αs(或α′)片层较窄主要归因于该高温β相的稳定性较高，低温时平衡α(或α′)相含量相对较少，同时相对低的固溶温度冷却时的元素扩散系数较小；965ST片层较宽的原因主要是该高温β相的稳定性较低，低温时平衡α(或α′)相含量相对较高，同时元素扩散系数相对较大；而1015ST试样片层较915ST宽主要是由于该高温β相的稳定性最低，虽然元素扩散系数较大，但在3个处理温度下快冷过程中的过冷度也最大，最终造成片层厚度介于915ST和965ST两个固溶温度之间。

2.2 时效对显微组织的影响

BT25y合金是为550 ℃附近范围服役研发的一种合金，为了保证服役条件下的组织稳定性并进一步优化性能，合金固溶处理后一般会再进行一步时效处理[10]。图3为不同温度固溶处理后再进行600 ℃时效处理后试样的显微组织照片。经统计，在915AT(见图3(a～c))和965AT试样中(见图3(d～f))，αp形态尺寸及含量与固溶态相比均无明显变化，而βt中的αs厚度发生一定程度的粗化，其中，与固溶态试样相比，915AT中αs厚度增加到0.05 μm，1015AT中αs厚度增加到0.13 μm，965AT中αs厚度变化不明显。另外，对比固溶态和时效态的高倍显微组织可以发现，时效态试样βt中的高亮度β相由固溶态的板条状(如图1(f、i、l))向部分发生破碎的颗粒状形态(如图3(c、f、i))转变，这种颗粒化现象将使组织进一步细化，具有典型的时效分解特征。

图3 固溶时效后试样的SEM照片

图4 固溶时效试样的X射线图谱(a)及其值(b)

合金固溶快冷过程由于相间元素来不及扩散会造成固溶组织处于一种非平衡状态，在随后的热处理过程中具有向平衡组织转化的趋势，并且随着热处理温度的提高或时间延长，合金组织向平衡组织的转化趋势也愈加显著。对于前述3种固溶处理试样组织，时效处理后均发生了不同程度的变化。其中，βt变化较为明显，这种变化实际是由于非平衡βt在时效过程中发生了向平衡组织的转化，表现为(αs+β)的分解。其中，在Tβ以下固溶处理的试样，由于βt的相对稳定性较高，时效过程中主要表现为αs的增厚和β相的分解，最终造成时效试样的β相含量降低；在Tβ以上固溶处理的试样，由于βt的相对稳定性较低，固溶处理获得的α相含量较高，时效过程除了表现为α/β片层增厚，同时也伴随α片层的部分回溶来达到时效温度时的相平衡要求，最终造成时效试样β相含量的增加。对于915ST和965ST试样中的αp相，实际也有向平衡态组织转化的趋势，例如在较低温度时效具有析出α2相的趋势[11]。本文采用的时效温度避开了α2相的析出温度，一方面预防在时效过程中α2相析出可能引起的合金脆化，另一方面是为稳定合金组织，确保合金组织在服役温度下的性能稳定性和长时有效性。

2.3 固溶及时效组织的显微硬度

图5为固溶态和时效态试样的显微硬度。可以发现，在固溶处理条件下，试样的显微硬度随固溶温度的升高而逐渐提高；经时效处理后，试样的硬度比固溶试样硬度有显著提高；同时，随着固溶温度的升高，时效试样的硬度也逐渐提高。对3个试样时效前后的硬度进行比较，915AT试样硬度的增幅(～32 MPa)和965AT试样的增幅(～29 MPa)相对较高，而1015AT试样的增幅(～9 MPa)相对较小。根据前面的组织分析，在固溶试样中，随固溶温度的升高，等轴状αp相含量逐渐降低，片层状组织含量逐渐增加；在时效试样中，与固溶态相比，等轴状αp含量尺寸变化不大，片层状组织发生了较明显的变化，其中Tβ以下固溶的试样中αs增厚、β相含量降低并细化，Tβ以上固溶的试样αs增厚、β相含量增加并细化。大量关于钛合金组织性能关系的研究表明[6-8]，等轴组织的强度和硬度一般相对较低，片层组织的强度和硬度一般相对较高，而双态组织的强度和硬度介于二者之间。因此，固溶试样硬度随固溶温度的升高逐渐增加主要取决于片层状组织含量的增加；时效试样硬度比固溶试样硬度有明显增高主要是由于片层状组织的细化；而Tβ以下时效试样硬度增幅明显是由于α相含量增加和片层状组织细化的综合贡献，Tβ以上时效试样硬度增幅不明显是由于β相含量增加抵消了部分片层状组织细化的影响。

图5 固溶态和时效态试样的显微硬度

3 结论

1)BT25y合金的相变点约为985 ℃。在相变点以下进行固溶处理，显微组织为双态组织，并且随着固溶温度的升高，初生α相含量逐渐减少，冷却后的β转变组织逐渐增多，β转变组织中片层状次生α相的厚度逐渐增大。当固溶温度超过相变点后，冷却后的显微组织全部为β转变组织，呈现全片层组织特征，初生α相消失，次生α相的厚度有所降低。

2)对固溶试样进行时效处理，β转变组织发生分解，组织呈现细化(碎化)现象。在相变点以下固溶处理的试样，时效后β相含量减少，而相变点以上固溶的试样，时效后β相含量增加。

3)固溶处理和固溶后时效处理的试样，显微硬度随固溶温度的升高均呈现上升趋势；在相变点以下固溶的试样时效后硬度增幅显著，而相变点以上固溶的试样时效后硬度仅有少量增加。