李 萍， 郝靜燕， 趙 杰， 段洪濤

（大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連 116024）

0 引 言

由于具有許多普通材料無法比擬的優(yōu)良性質(zhì)，鈦合金在航空、生物和其他高科技領(lǐng)域得到普遍關(guān)注［1］.其中近β型鈦合金以其良好的熱處理強(qiáng)化效果、抗蠕變性能與成型性，喚起國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行研究與開發(fā)的熱情［2］.

隨著對近β型鈦合金性能要求的提高，人們在合金的冶煉以及熱處理工藝方法上不斷進(jìn)行摸索與研究.如將鍛造溫度從950℃升高到980℃，可以將Ti－Nb－Ta－Zr鈦合金的抗拉強(qiáng)度提高約30%、塑性增加約12%、彈性模量提高約37%［3］；改變加工工藝，則可以使Ti－Zr－Sn－Mo－Nb（TLM）合金的強(qiáng)度和彈性模量降低約4.1%，而延伸率增加38%［4］.

Ti27Nb8Zr是具有我國獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的近β型鈦合金.前期研究發(fā)現(xiàn)，熱軋態(tài)的Ti27Nb8Zr合金在800℃固溶處理后，具有較好的塑性，但強(qiáng)度較低［5］.為了進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度，將其在350～500℃（Δt＝50℃）進(jìn)行時(shí)效處理.鑒于超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)特性及狀態(tài)相關(guān)，本文進(jìn)行“聲速法無損評價(jià)時(shí)效溫度對Ti27Nb8Zr彈性性能的影響”研究.應(yīng)用超聲水浸聚焦法并結(jié)合縱波掠入射方法測量超聲波在時(shí)效樣品中的傳播速度；基于聲波在各向同性、均勻固體介質(zhì)中傳播規(guī)律，推算時(shí)效樣品的彈性性能指標(biāo)；結(jié)合時(shí)效樣品微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，分析并討論彈性性能指標(biāo)的變化.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試樣的制備

在真空自耗電弧爐中熔煉Ti27Nb8Zr合金，而后在感應(yīng)爐中重熔，經(jīng)熱軋?zhí)幚砗髮⑵淇绽?鑒于熱軋合金中存在的殘余應(yīng)力對合金的變形、穩(wěn)定性和抗疲勞性能都有影響，因此，需要對合金進(jìn)行固溶處理，即將Ti27Nb8Zr合金加熱到800℃保溫1 h.為進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度，繼續(xù)對固溶合金進(jìn)行時(shí)效處理，將其在350、400、450、500℃分別時(shí)效12 h后，在空氣中進(jìn)一步冷卻.以氬氣做保護(hù)氣氛，在井式真空加熱爐中完成上述熱處理過程.隨后，將所有時(shí)效樣品加工成 3 mm×9 mm的圓柱體，為便于聲速測量，通過磨削和拋光使得樣品的上下表面平行.

1.2 聲速法無損評價(jià)彈性模量的原理

聲波在各向同性、連續(xù)均勻固體物質(zhì)中傳播時(shí)，彈性性能可表示為［6］

式中：ρ為試樣密度，vl為縱波聲速，vs為橫波聲速，E為彈性模量，G為切變模量，K為體積模量，μ為泊松比.

因此，通過對聲速、密度的測定，即可得到彈性模量（E）、切變模量（G）、體積模量（K）和泊松比μ.

實(shí)驗(yàn)所用試樣直徑較小，而聚焦探頭能夠改善聲束指向性，并提高聲能，故在本研究中將超聲水浸聚焦法與縱波掠入射法相結(jié)合用于聲速測量［7］.研究所用超聲波縱波探頭的標(biāo)稱頻率為5 MHz，焦斑直徑不超過0.6 mm，每個(gè)樣品上測6點(diǎn)，取平均值；采用精度為0.1 mg的電子天平，基于阿基米德原理獲得各個(gè)試樣的密度.每個(gè)試樣測量3次，求得其平均值.

2 結(jié)果與討論

2.1 微結(jié)構(gòu)的變化

不同時(shí)效狀態(tài)下的XRD譜和金相組織如圖1、2所示.將Ti27Nb8Zr合金進(jìn)行熱軋?zhí)幚聿⒖绽涞绞覝?，對?yīng)微觀組織包含大量的β相和少量的α″相.固溶處理后，合金的微觀組織由均勻分布的等軸狀再結(jié)晶晶粒構(gòu)成，其相組成為亞穩(wěn)β相和馬氏體α″相；此后的時(shí)效過程中，亞穩(wěn)的β相和α″相繼續(xù)分解，且隨著時(shí)效溫度的提高，相組成存在顯著的差異.在350、400℃得到的時(shí)效組織均為β＋ω相，對應(yīng)450℃的時(shí)效組織為β＋α＋ω相，500℃時(shí)效組織為穩(wěn)定的β＋α相.

圖1 不同狀態(tài)下Ti27Nb8Zr的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of Ti27Nb8Zr in various states

2.2 聲速和彈性模量的變化

圖3給出了Ti27Nb8Zr合金在不同時(shí)效溫度下縱波聲速（vl）和橫波聲速（vs）的變化規(guī)律，時(shí)效溫度對彈性性能的影響如圖4所示.

圖2 Ti27Nb8Zr合金時(shí)效金相組織Fig.2 Microstructures of Ti27Nb8Zr at different aging temperatures

圖3 聲速隨時(shí)效溫度的變化Fig.3 The variation of velocities with aging temperature

圖4 彈性性能與時(shí)效溫度的相關(guān)性Fig.4 The correlation of elastic indices and aging temperature

由圖3、4可知，提高時(shí)效溫度，超聲波速度單調(diào)遞減，彈性性能指標(biāo)呈現(xiàn)與超聲波速度相似的變化.整個(gè)時(shí)效過程中，彈性模量與切變模量分別降低27%和30%，體積模量變化很小，僅下降了3%，泊松比增大了12%.從圖3、4還可以看出，對應(yīng)不同的溫度區(qū)間，指標(biāo)變化也有顯著差異.時(shí)效溫度為350、400℃時(shí)，聲速以及彈性指標(biāo)幾乎不發(fā)生變化，提高時(shí)效溫度到500℃，彈性模量與切變模量的變化顯著，對應(yīng)降低26.3%、28.9%.

2.3 分析與討論

彈性性能指標(biāo)表征了原子間結(jié)合力大小，其受原子間距、晶體結(jié)構(gòu)和材料內(nèi)部相變等因素影響［8］.對時(shí)效過程組織結(jié)構(gòu)與彈性性能的綜合分析可知：固溶處理產(chǎn)生的馬氏體在不同時(shí)效溫度下能夠分解成形態(tài)與含量均不同的相，這成為合金彈性性能指標(biāo)改變的主要因素.

對應(yīng)350、400℃的較低時(shí)效溫度，處于亞穩(wěn)狀態(tài)的β相分解為βp（溶質(zhì)原子貧化區(qū)）和βr（溶質(zhì)原子富集區(qū)），貧化區(qū)發(fā)生ω相的形核與長大，富集區(qū)則轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的β相；與此同時(shí)，α″相因發(fā)生馬氏體逆轉(zhuǎn)變，成為亞穩(wěn)的β相，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)棣拢叵啵?］.對應(yīng)上述兩個(gè)溫度的時(shí)效組織均由β＋ω相組成，故其彈性性能指標(biāo)的變化較小.

提高時(shí)效溫度到450℃，ω相發(fā)生聚集，有少量的α相析出，微觀組織由β相、ω相以及少量的α相組成；進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，ω相減少，β相增多.ω相是介于α相與β相之間的一種過渡相，具有硬度高、脆性大以及彈性性能指標(biāo)較高的特點(diǎn)［10］；相對于ω相，α相和β相的彈性性能指標(biāo)較低［11］，綜上分析：該溫度下彈性性能指標(biāo)的降低可歸因?yàn)楹辖鹬笑叵嗟臏p少以及α相、β相的增多.

將合金在500℃繼續(xù)時(shí)效，通過先析出均勻形核的、細(xì)顆粒的α相，使α″相中的穩(wěn)定元素富化（α″r），再轉(zhuǎn)變成亞穩(wěn)β相，最后轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的β＋α相；亞穩(wěn)β相則分解為βp和βr相，貧化區(qū)形核析出α相，富化區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的β相［9］，所以在該溫度下得到由β＋α相組成的穩(wěn)定的時(shí)效組織.彈性性能指標(biāo)的顯著降低與ω相的消失密切相關(guān).

3 結(jié) 論

（1）提高時(shí)效溫度，超聲波速度與彈性性能指標(biāo)呈現(xiàn)單調(diào)降低的趨勢.其中E、G的變化較大，分別為27%、30%，K降低3%，μ提高12%.

（2）時(shí)效組織中各組成相類型與數(shù)量的變化，是誘發(fā)合金彈性性能指標(biāo)改變的主要因素.

（3）Ti27Nb8Zr合金彈性性能指標(biāo)的降低與時(shí)效組織的轉(zhuǎn)變密切相關(guān).350、400℃時(shí)效組織均為β和ω兩相，二者彈性性能指標(biāo)的差別較??；時(shí)效溫度提高到450℃，除β和ω相外還有少量的α相從ω相中析出，彈性性能指標(biāo)的降低與α相、β相的逐漸增多以及ω相的減少相關(guān)；500℃時(shí)，時(shí)效組織由α相和β相組成，ω相完全消失，這使得彈性性能指標(biāo)顯著降低.

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