周 偉，辛社偉，葛 鵬，李 倩，陳 軍

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

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TB8鈦合金晶粒長(zhǎng)大行為的研究

周 偉，辛社偉，葛 鵬，李 倩，陳 軍

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

研究了TB8鈦合金冷軋板材在不同熱處理溫度和不同保溫時(shí)間下的晶粒長(zhǎng)大行為。結(jié)果表明：TB8鈦合金冷軋板材在820～880 ℃的溫度范圍內(nèi)不存在晶粒急劇粗化的現(xiàn)象，可以在此區(qū)間內(nèi)的溫度下對(duì)其進(jìn)行熱處理，保溫時(shí)間根據(jù)溫度的不同可在30～120 min范圍內(nèi)選擇。此外，借助Beck方程和Arrhenius方程分別計(jì)算得到該合金的晶粒生長(zhǎng)指數(shù)(n)為0.25～0.35，β晶粒長(zhǎng)大激活能(Q)為273.23 kJ/mol。

TB8鈦合金；晶粒長(zhǎng)大； 激活能；晶粒生長(zhǎng)指數(shù)

0 引 言

TB8鈦合金(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si)是一種新型亞穩(wěn)β型高強(qiáng)鈦合金，該合金具有優(yōu)異的成形性、深的淬透性、良好的抗腐蝕能力，并且具有良好的焊接性能和高溫性能，是一種理想的航空結(jié)構(gòu)材料[1-4]。

由于鈦合金的β晶粒尺寸對(duì)材料的強(qiáng)度、塑性、韌性和抗腐蝕性等性能有著至關(guān)重要的影響[5]，為此，研究了TB8鈦合金在不同熱處理溫度和保溫時(shí)間下的晶粒尺寸變化規(guī)律，以期為該合金熱處理工藝的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用厚度為3 mm的TB8鈦合金冷軋板材，化學(xué)成分(w/%)為：Mo 15.56，Nb 2.62，Al 2.74,Si 0.23，F(xiàn)e 0.02，O 0.082，C 0.006，H 0.001，N 0.012，余量為Ti。其原始加工態(tài)顯微組織見圖1。

圖1 TB8鈦合金冷軋板材的原始加工態(tài)顯微組織Fig.1 Initial microstructure of cold-rolled TB8 titanium alloy plate

從板材上線切割切取尺寸為15 mm×15 mm的金相試樣。熱處理實(shí)驗(yàn)在箱式電阻爐中進(jìn)行，熱處理溫度為800～880 ℃，保溫時(shí)間為30～120 min。為了保留合金的高溫組織，用水淬的方式進(jìn)行冷卻。采用OLYMPUS光學(xué)電子顯微鏡觀察顯微組織，晶粒尺寸用截線法測(cè)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織演變

圖2為TB8鈦合金冷軋板材試樣經(jīng)過不同溫度、不同保溫時(shí)間處理后的顯微組織。一般情況下，β晶粒的長(zhǎng)大分為再結(jié)晶形核和粗化兩個(gè)階段[6]。由圖2可見，800 ℃保溫30 min(圖2a)后，試樣再結(jié)晶不完全，正處于再結(jié)晶形核階段；820 ℃保溫30 min(圖2b)后，試樣已完全再結(jié)晶，且晶粒大小均勻，平均晶粒尺寸約為50 μm。進(jìn)一步提高溫度，再結(jié)晶晶粒呈增大趨勢(shì)。例如，溫度為840、860、880 ℃(圖2c～e)時(shí)，平均晶粒尺寸分別增大了5、10、20 μm。雖然平均晶粒尺寸隨著加熱溫度的升高而增大，但是變化相對(duì)較小，這說明該合金在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)不存在晶粒急劇粗化的現(xiàn)象。由圖2還可以看出，相同的熱處理溫度，隨著保溫時(shí)間的增加，平均晶粒尺寸增大，但是增大趨勢(shì)漸緩。例如880 ℃保溫30、60、90、120 min(圖2e～h)時(shí)，平均晶粒尺寸分別為70、85、95、100 μm，這說明TB8鈦合金冷軋板材在高溫時(shí)具有較好的抗晶粒粗化能力。

圖2 TB8鈦合金冷軋板材經(jīng)不同溫度、不同時(shí)間熱處理后的顯微組織Fig.2 Microstructures of cold-rolled TB8 titanium alloy plate at different heat treatments

圖3 TB8鈦合金冷軋板材平均晶粒尺寸隨保溫時(shí)間和熱處理溫度變化的曲線Fig.3 Variation of grain size of cold-rolled TB8 titanium alloy plate at various heat treatments

由圖3可以看出，保溫時(shí)間相同時(shí)，熱處理溫度越高，平均晶粒尺寸越大；熱處理溫度相同時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，平均晶粒尺寸增大，但晶粒長(zhǎng)大的速率漸緩。

2.2 晶粒長(zhǎng)大規(guī)律

采用Beck方程[7]對(duì)TB8鈦合金冷軋板材的晶粒長(zhǎng)大過程隨時(shí)間變化的動(dòng)力學(xué)規(guī)律進(jìn)行描述，其中，Beck方程如公式(1)所示。

(1)

對(duì)(1)式兩邊求對(duì)數(shù)得到公式(2)。

(2)

圖4 TB8鈦合金冷軋板材的關(guān)系曲線Fig.4 The curves of ln and lnt for cold-rolled TB8 titanium alloy plate

當(dāng)保溫時(shí)間一定時(shí)，可以利用Arrhenius方程[8]描述TB8鈦合金冷軋板材熱處理溫度與晶粒長(zhǎng)大的關(guān)系，其中Arrhenius方程如公式(3)所示。

(3)

式中，B為常數(shù)；Q為晶粒長(zhǎng)大激活能，J/mol；R為氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度，K。

對(duì)(3)式兩邊取對(duì)數(shù)得到公式(4)。

(4)

圖5 TB8鈦合金冷軋板材的關(guān)系曲線Fig.5 The curves of ln and 1/T for cold-rolled TB8 titanium alloy plate

由圖5可見，各條曲線近似平行,說明該合金晶粒長(zhǎng)大激活能Q是唯一的。通過擬合直線的斜率得到實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)TB8鈦合金冷軋板材晶粒長(zhǎng)大激活能(Q≈273.23 kJ/mol)高于純鈦的β相自擴(kuò)散激活能(Qβ=166 kJ/mol)[9]。這主要是由于固溶的Mo、Nb原子在晶界的釘扎作用抑制了晶粒的長(zhǎng)大。

3 結(jié) 論

(1) TB8鈦合金冷軋板材在800～880 ℃范圍內(nèi)不存在晶粒急劇粗化的現(xiàn)象，880 ℃時(shí)仍具有較好的抗晶粒粗化能力，因此該合金的熱處理溫度可在800～880 ℃，保溫時(shí)間根據(jù)溫度的不同可在30～120 min選擇。

(2)由于溶質(zhì)原子對(duì)晶界移動(dòng)的阻礙效應(yīng)，使TB8鈦合金在820～880 ℃的熱處理溫度下的晶粒生長(zhǎng)指數(shù)n=0.25～0.35，小于純鈦的晶粒生長(zhǎng)指數(shù)。

(3)在820～880 ℃對(duì)TB8鈦合金進(jìn)行熱處理，合金的β晶粒長(zhǎng)大激活能為273.23 kJ/mol，其值高于純鈦的β相自擴(kuò)散激活能，主要是由于固溶的Mo、Nb原子在晶界釘扎作用抑制了晶粒的長(zhǎng)大。

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Research on Grain Growth Behavior of TB8 Titanium Alloy

Zhou Wei，Xin Shewei，Ge Peng，Li Qian，Chen Jun

(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016, China)

The grain growth behavior of TB8 titanium alloy plate was investigated under different heating temperature and holding time. The results show that the cold-rolled plate of TB8 titanium alloy can be heat treated in the range of 820 ℃ to 880 ℃. The grain rapid coarsening phenomenon does not exist in the above temperature range, and the holding time can be chosen in the range of 30 min to 120 min with different temperatures. Grain growth exponent (0.25～0.35) and grain growth activation (273.23 kJ/mol) are also calculated by Beck and Arrhenius equations.

TB8 titanium alloy; grain growth; activation energy; grain growth exponent

2014-06-19

陜西省科技統(tǒng)籌項(xiàng)目(2014KTCQ01-38)

周偉(1978—)，女，高級(jí)工程師。