Ti9148 钛合金β-相晶粒长大行为

2022-07-07吝媛杨奇黄拓杨晓龙刘伟李梦

有色金属科学与工程 2022年2期

吝媛，杨奇，黄拓，杨晓龙，刘伟，李梦

（宝鸡钛业股份有限公司，陕西宝鸡 721014）

0 引言

Ti9148 钛合金是宝鸡钛业股份有限公司自主研发的一种新型生物医用亚稳β-型钛合金，其成分为Ti-19Nb-1.5Mo-4Zr-7.9Sn。与传统α+β 型钛合金T-6Al-4V 相比，Ti9148 合金不含过敏或有毒元素，具有弹性模量低、生物相容性好等优点，有望应用于生物医学领域[1-5]。

众所周知，晶粒尺寸对材料的强度和塑性、变形机制以及第二相析出等有较大的影响[6-12]。Ti9148 合金在较低温度时效时，亚稳相（如六方α′、正交α′′）可通过扩散型相变转变为过渡相六方ω 相，进而转变为α 相，这些亚稳相对合金强韧性有显著影响，相析出使合金韧性急剧下降[1]。因此，该合金的锻造、轧制加热及中间退火等操作均避免在此温度区间进行，一般选在β-相区进行。然而，β-相区加工温度较高，晶粒易于长大，因此，为了获得较理想的组织与性能水平的合金，有必要研究退火温度和时间对合金晶粒长大的影响规律，合理控制晶粒尺寸，进而为实际生产提供参考依据。

1 实验方法

实验材料为宝鸡钛业股份有限公司采用3 次真空自耗电弧熔炼的Ti9148 合金铸锭，经锻造、热轧等工艺制得5 mm 厚板材，金相法测得合金β-相转变温度为720 ℃。用线切割方法在板材上截取若干5 mm × 10 mm × 15 mm 块状试样，置于箱式电阻炉进行固溶淬火实验，固溶处理温度选择750、800、850、900 ℃，保温时间选择10、30、60、120 min，出炉后进行水淬处理。热处理试样经预磨、抛光及侵蚀后制成金相试样，侵蚀剂配比为V（HF）∶V（HNO3）∶V（H2O）=1∶3∶7,采用ZEISS AxioVert200MAT 金相显微镜进行显微组织观察，并通过截线法测得平均晶粒尺寸D。

2 结果及讨论

2.1 显微组织演变

图1 所示为Ti9148 合金在β-相区不同固溶温度和保温时间下的显微组织照片，可以看出，经过β-相区固溶处理后的合金组织均为细小均匀的等轴组织。在相同保温时间下，固溶温度在750～900 ℃范围内逐渐升高，合金晶粒尺寸急剧增大，如在加热10 min的试样中（图1 中的A1、B1、C1、D1），750 ℃固溶处理后的β-相晶粒尺寸为28 μm，而800、850、900 ℃固溶处理后，β-相晶粒尺寸分别增加到39、59、78 μm。在等温加热过程中，随着时间延长，晶粒尺寸也呈增大趋势，如在900 ℃固溶处理不同时间后（图1 中的D1、D2、D3、D4），β-相晶粒尺寸由78 μm 增加到168 μm。

图1 Ti9148 合金在不同的固溶温度和保温时间下的显微组织Fig.1 Microstructure of Ti9148 alloy at different solution-treated temperatures and holding times

统计不同加热制度下的晶粒尺寸，绘制出了晶粒长大趋势图。Ti9148 合金β-相晶粒尺寸随温度的变化曲线如图2 所示，在相同的保温时间下，随着固溶温度升高，β-相晶粒尺寸不断增大，并且温度越高，β-相晶粒尺寸增长速度越快。β-相晶粒长大是一种集热激活、扩散与界面反应于一体的物理冶金过程，主要表现为晶界的迁移，随着温度升高，原子的平均动能增加，有助于原子扩散和晶界迁移，晶界的平均迁移速率m 与e-Qm/（RT）成正比，其中，m 为晶界的平均迁移速率，Qm为晶界迁移的激活能或原子扩散通过晶界的激活能，R 为气体常数，T 为热力学温度[13-16]。由此可见，晶粒尺寸的长大速率与加热温度之间呈现一种指数关系，与图2 中的曲线相吻合。在4 种固溶温度下，Ti9148 合金β-相晶粒尺寸随时间的变化曲线，即晶粒等温长大曲线如图3 所示，在加热初始阶段，β-相晶粒长大速度较快，超过30 min 后，晶粒尺寸增长速度变得平缓。分析其原因，β-相晶粒长大的驱动力源自界面能的降低，界面能驱动晶界不断迁移或消失，随着保温时间的延长，晶粒不断长大，晶界向着曲率中心方向移动，并不断平直化，致使“大吞并小”和凹面变平，晶界面积不断减小，最终，总的界面能下降，晶粒长大驱动力减小，晶粒增长速度变缓[13]。

图2 Ti9148 合金β-相晶粒尺寸随温度升高的变化曲线Fig.2 The curves of the β-phase grain size of the Ti9148 alloy with increasing temperature

图3 Ti9148 合金β-相晶粒等温增长曲线Fig.3 Isothermal growth curves of β-phase grains in the Ti9148 alloy

2.2 晶粒长大动力学分析

钛合金晶粒等温长大过程中，晶粒尺寸与加热时间的关系近似成幂函数关系，可用Beck 方程进行描述[17-18]：

式（1）中：D 为平均晶粒尺寸，μm；t 为等温退火时间，min；n 为晶粒长大指数；k 为与成分和温度有关的长大系数。对式（1）两边取对数，可得:

将不同固溶温度下实测的Ti9148 合金晶粒尺寸数据代入式（2）中进行线性拟合，即可得到图4 所示的lnD 与lnt 的线性关系图，以及不同温度下的晶粒长大指数n，见表1。

表1 不同温度下的lnk 和n 值Table 1 The lnk and n values at different temperatures

据文献[17]报道，纯钛在β-相区的晶粒长大指数n=0.5[17]，而表1 中计算出的Ti9148 钛合金在750～900 ℃的晶粒长大指数n 为0.213～0.300。这主要是由于Ti9148 钛合金含有较多的Nb、Mo、Zr、Sn 等合金元素，因为晶界的内吸附现象，这些溶质原子容易富集在晶界周围，当晶界迁移时，这些溶质原子只能以扩散速度较慢的体扩散进行跟随，造成对晶界的“钉扎”作用，阻碍晶界移动[13,19-21]。

同样，在一定保温时间下，加热温度对晶粒长大的影响可以采用Arrhenius 方程[13,18,22]进行描述:

式（3）中：k0为与成分有关的长大系数;Q 为β-相晶粒晶界迁移的长大激活能;R 为气体常数，8.314 J/mol；T 为绝对温度，K。将式（3）两边取对数可得式（4）:

由式（4）可以看出，lnk 与1/T 之间具有线性关系。因此将表1 中相关数据带入式（4）进行线性拟合，得到如图5 所示的lnk 与1/T 之间的关系曲线，根据拟合结果可估算出Ti9148 合金晶粒在β-相相区的长大激活能Q=32.57 kJ/mol，小于纯钛的β-相自扩散激活能Q=166 kJ/mol[23-24]，表明Ti9148 合金在β-相区加热具有较高的温度敏感性，在实际加工生产过程中，应严格控制热处理温度和保温时间。