辛宏靖，廖敏茜，王瀟漢，陳志宏，陳盅成，王平

初生相含量對TC18時效組織及力學(xué)性能的影響

辛宏靖，廖敏茜，王瀟漢，陳志宏，陳盅成，王平

（東北大學(xué) 材料電磁過程研究教育部重點實驗室，沈陽 110004）

探究TC18合金中初生相含量對時效后次生片層形貌及力學(xué)性能的影響。通過改變兩相區(qū)固溶溫度控制初生相含量，觀察固溶后合金元素分布及相同時效后合金的組織形貌，研究固溶溫度對合金拉伸性能的影響。固溶過程中發(fā)生元素再分配，固溶溫度低，初生相含量高，基體中穩(wěn)定元素含量高，基體穩(wěn)定性強，抑制時效過程中次生片層析出，時效強化效果弱。固溶溫度高，基體穩(wěn)定性弱，促進時效過程中次生片層析出，時效強化效果顯著。固溶溫度升高，初生相比例降低，即基體穩(wěn)定性降低，促使時效過程中大量次生相析出，顯著提高合金強度。

初生相；熱處理；力學(xué)性能；元素再分配

鈦合金因其比強度高、耐腐蝕和耐高溫性能良好等優(yōu)異特性被廣泛應(yīng)用于航空航天、深?？碧?、生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域[1—3]。近年來，隨著各領(lǐng)域技術(shù)對鈦合金需求的不斷增加，高強鈦合金得到了快速發(fā)展，高強亞穩(wěn)鈦合金應(yīng)運而生，如-21S，-C，TC18等[4—6]。與傳統(tǒng)的+兩相鈦合金相比，亞穩(wěn)鈦合金通過熱處理可獲得多種形態(tài)組織結(jié)構(gòu)。組織結(jié)構(gòu)決定了合金力學(xué)性能，通過熱處理調(diào)控合金組織進而改善力學(xué)性能是最經(jīng)濟且有效的手段[7]。在適當?shù)臒崽幚砉に嚄l件下，可以獲得非常細小的片層，片層尺寸可達到幾百甚至幾十納米，大幅提高合金強度[8—10]。

研究表明，在TC18鈦合金中固溶溫度和時間決定了初生相的形態(tài)及比例，時效溫度和時間決定了次生相的尺寸及含量，兩者的綜合作用決定了合金的力學(xué)性能[11]。細化次生相提高鈦合金強度是高強鈦合金強塑化研究的重點，主要通過調(diào)整時效制度，利用相輔助形核細化次生相機制可顯著提高合金強度，同時塑性急劇降低[12]。

文中通過調(diào)控固溶溫度獲得不同的初生相含量，保證合金塑性的同時研究了初生相含量對基體中穩(wěn)定元素分布及其對次生相的形貌及尺寸的影響，并對合金強度及塑性變化進行深入研究。

1 實驗

采用TC18鈦合金單相區(qū)鍛造棒材，直徑為55 mm，其名義化學(xué)成分為5Al-5Mo-5V-3Cr，原始組織如圖1所示。通過金相法測得合金的相轉(zhuǎn)變溫度約為810 ℃。設(shè)置固溶溫度為700，730，760，790 ℃(溫度區(qū)間為30 ℃)。試樣在兩相區(qū)不同固溶溫度下保溫1 h，水冷（W.Q.）至室溫，再經(jīng)560 ℃下時效4 h，空冷至室溫（A.C.），具體熱處理工藝如圖2所示。選用35 mm×20 mm×60 mm塊狀材料進行熱處理實驗，并進行組織觀察、元素分析及拉伸性能測試。拉伸試樣平行段長度為25 mm，直徑為5 mm，拉伸速率為0.5 mm/min，勻速拉斷。組織分析試樣尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，進行打磨、拋光，以氫氟酸、硝酸和水的體積比為2︰1︰97的腐蝕劑浸泡，獲得最終試樣。采用島津公司SHIMADZU SSX-500掃描電子顯微鏡（SEM）觀察其微觀形貌；采用日本電子株式會社JEOL JXA-8530F電子探針（EPMA）對試樣進行元素分布分析；采用島津公司AG-X100KN電子萬能材料試驗機進行拉伸測試，并使用SEM觀察拉伸斷口形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 固溶溫度對合金初生α相比例的影響

合金經(jīng)700，730，760，790 ℃固溶1 h后水冷至室溫的顯微組織如圖3所示?；w中均勻分布了短棒狀及板條狀初生相，隨固溶溫度升高，初生相比例降低且相面密度降低，相尺寸變化不明顯。經(jīng)多視場統(tǒng)計不同固溶溫度下初生相比例，結(jié)果如下：700，730，760，790 ℃固溶初生相比例分別為30%，21%，13%，5%。固溶溫度為700 ℃和730 ℃時，合金中存在著大量尺寸不足微米的小尺寸初生相分布在較長板條狀相周圍（見圖3a和b）；固溶溫度為760 ℃和790 ℃時，合金組織中僅有極少量不足微米的小尺寸初生相（見圖3c和d）。板條狀初生相含量并沒有隨著固溶溫度的改變而發(fā)生明顯變化。實驗結(jié)果表明固溶溫度升高，較小尺寸的初生相率先溶解，根據(jù)最小界面能原理，初生相尺寸越小，其表面能越高即越不穩(wěn)定，因此會在固溶過程中優(yōu)先溶解[13]。與此同時，相向相轉(zhuǎn)變的過程中會伴隨元素擴散，小尺寸的初生相有利于合金原子擴散，也促進了小尺寸相的溶解，因此隨著固溶溫度升高，初生相含量降低，小尺寸的初生相優(yōu)先溶解。

圖1 TC18合金原始鍛造組織

圖2 熱處理工藝流程

2.2 初生α相比例對合金時效組織的影響

合金經(jīng)不同溫度固溶后進行時效處理（560 ℃- 4 h-A.C.）得到的顯微組織見圖4。在圖4a中能觀察到大量的初生相和極少量的次生片層（圖4a中紅色區(qū)域），圖4b—d中不僅能夠觀察到含量逐漸降低的初生相，而且在基體上觀察到均勻分布的細小片層狀次生相，且片層狀次生相長度不足微米。不同固溶溫度下初生相比例會影響次生相片層形貌及分布。固溶溫度較低時，初生相片層間隙小，抑制了次生相片層長大；隨著固溶溫度升高，板條狀初生相含量顯著降低且間隙增大明顯，即相比例增加，時效后于基體中析出更多的次生片層，且次生片層長度增加。

基體中合金元素含量會影響時效組織中次生相的析出。合金經(jīng)760 ℃固溶后顯微組織及對應(yīng)的主要合金元素分布見圖5?？梢杂^察到Al（穩(wěn)定元素）聚集在相內(nèi)，Mo，V和Cr（穩(wěn)定元素）聚集在相內(nèi)，這是兩相鈦合金典型的元素再分配現(xiàn)象[14]，因此固溶溫度越低，相比例越高即相比例越低，導(dǎo)致相內(nèi)穩(wěn)定元素含量高，因此相更穩(wěn)定，時效過程中次生相形核困難。隨著固溶溫度升高，初生相比例降低，相比例增加，穩(wěn)定元素含量一定，平均分配到基體中的含量降低，從而導(dǎo)致相穩(wěn)定性降低并于時效過程中發(fā)生分解，促進次生相形核，因此隨著固溶溫度升高，基體中析出更多的次生相。

圖3 合金于不同固溶溫度保溫1 h后水冷至室溫顯微組織

圖4 合金于不同固溶溫度下進行560 ℃-4 h-A.C.時效處理后顯微組織

圖5 合金經(jīng)固溶處理后顯微組織及合金元素分布

2.3 固溶溫度對合金力學(xué)性能的影響

對不同熱處理制度的TC18合金進行拉伸試驗，得到其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6所示。根據(jù)合金強度、塑性隨固溶溫度變化的關(guān)系曲線可以看出，隨著固溶溫度的升高，合金抗拉強度和屈服強度均升高，而伸長率降低，固溶溫度為790 ℃時，合金強度最高，其屈服強度達到1299 MPa。時效過程形成的大量次生片層是強化亞穩(wěn)鈦合金最常用且最有效的析出強化手段。次生片層能夠有效阻礙變形過程中位錯運動，提高合金強度[15]。結(jié)合合金顯微組織發(fā)現(xiàn)，固溶溫度越高，次生片層含量越高，固溶溫度為790 ℃時合金初生相比例僅為5%，即相比例為95%，且此時相中穩(wěn)定元素含量最低，時效過程中會促進次生相片層的析出，對合金的強化效果最強，因此合金固溶溫度為790 ℃時合金強度最高，此時伸長率約10%，仍能保持較高水平。這是由于初生相比例降低，但并未完全消失，初生相尺寸較大，內(nèi)部會產(chǎn)生滑移和孿晶，能夠容納大量位錯[16]；同時細小的次生片層結(jié)構(gòu)含量增加，提高了合金強度但不能提供合金的持續(xù)變形，因此使合金塑性略有降低。

圖6 合金經(jīng)不同固溶溫度及統(tǒng)一時效熱處理后工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 結(jié)論

1）隨著固溶溫度的升高，合金初生相比例降低，間隙增加，尺寸變化不明顯。

2）固溶過程發(fā)生元素再分配，穩(wěn)定元素聚集在相內(nèi)，穩(wěn)定元素聚集在相內(nèi)，固溶溫度升高，相穩(wěn)定性降低，促進時效過程次生相析出。

3）固溶溫度升高，細小次生片層含量增加，阻礙位錯運動，導(dǎo)致強度升高；同時合金中能夠提供持續(xù)變形的初生相比例降低，塑性略有下降。

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Effect of Volume Fraction of PrimaryPhase on Mechanical Property in TC18 Alloy

XIN Hong-jing, LIAO Min-qian, WANG Xiao-han, CHEN Zhi-hong, CHEN Zhong-cheng, WANG Ping

(Key Laboratory of Electromagnetic Processing of Materials, Ministry of Education, Northeastern University, Shenyang 110004, China)

The effect of volume fraction of primaryphase on alloy element partitioning, the morphology of secondarylamellae and the tensile property in TC18 alloy were studied. The volume fraction of primaryphase and the morphology of secondarylamellae were characterized and the tensile properties were tested at different solution temperatures. The results showed that element partitioningat low solution temperature led to the inhibition oflamellar precipitation. On the contrary, the volume fraction of primaryphase decreased, and the content ofstabilizing elements inmatrix decreased with the increase of solution temperature. This resulted in a large number of secondaryphase precipitated during the aging process to enhanced the strength of the alloy.

primaryphase; solution temperature; mechanical property; element partitioning

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.03.018

TB31

A

1674-6457(2021)03-0143-05

2021-02-17

國家自然科學(xué)基金（51690161）；東北大學(xué)“大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃”（200265）

辛宏靖（1998—），女，材料成型及控制工程專業(yè)本科生。

王平（1964—），男，博士，教授，主要研究方向為層狀金屬復(fù)合技術(shù)、材料的半固態(tài)加工理論與技術(shù)、輕金屬的電磁冶金。