鈦合金與鋼和鋁合金相比，是一種新型的結(jié)構(gòu)材料，以其高的比強(qiáng)度和好的抗腐蝕性能而廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，作為發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和葉片重要候選材料的高溫鈦合金愈來愈受到人們的重視[1?2]。目前，高溫鈦合金的開發(fā)主要是Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系合金，由于合金中含有較少的β穩(wěn)定元素，故稱其為近α合金[3]。這類高溫鈦合金大都含有Si元素，比如美國的Ti?6242S、Ti?1100[4]合金，英國的IMI834[5]合金，俄羅斯的BT36[6]合金，中國的Ti60[7]、Ti600[8]合金等。Ti60合金是在IMI834合金基礎(chǔ)上提高Si元素含量，增添Ta元素設(shè)計(jì)而成的一種新型的近α型高溫鈦合金，它是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中高溫部件的候選材料[9]。

由Ti-Al二元相圖可知[10?11]，硅在β鈦中最大固溶度約為3.0%，出現(xiàn)在1340℃，硅在α鈦中的最大固溶度為0.45%，出現(xiàn)在860℃，并且在此溫度下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：β→α＋Ti3Si，其共析點(diǎn)固溶度為0.68%。硅元素在β鈦和α鈦中固溶度的較大差異是導(dǎo)致隨后熱處理過程中硅元素存在狀態(tài)不同的一個(gè)重要原因，這兩種存在狀態(tài)對(duì)合金力學(xué)性能將會(huì)產(chǎn)生不同的影響。MADSEN和GHONEM[12]研究了時(shí)效處理對(duì)Ti?1100合金室溫及高溫拉伸性能及疲勞性能的影響，結(jié)果表明，Ti?1100合金在預(yù)期使用溫度593℃下，有TiAl和(TiZr)6Si3兩種類型的析出物析出。時(shí)效均能使合金的室溫和高溫屈服強(qiáng)度升高而塑性降低，并且合金的室溫塑性降低的更顯著。KUMAR等[13]研究了時(shí)效對(duì)IMI834合金低周疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)與未經(jīng)過時(shí)效處理的試樣相比，經(jīng)過(700℃,2h)時(shí)效的試樣中有Ti3Al相析出，從而嚴(yán)重降低了IMI834合金的低周疲勞性能。

硅在Ti60合金中以兩種方式存在，一種是硅固溶在基體中，另一種是以硅化物的形態(tài)析出。另外，Ti60合金為近α型合金，鋁含量較高。研究表明，鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于6%的鈦合金，在一定熱處理規(guī)范下，都會(huì)在固溶體內(nèi)產(chǎn)生有序化，析出α2有序相。過去α2相通常被認(rèn)為是對(duì)鈦合金有脆化作用的有害相，高溫鈦合金中應(yīng)避免α2相的析出[14]。但近年來的研究表明，α＋α2合金的塑性可以通過某些元素的添加而得到改善。

IMI834高溫鈦合金等已經(jīng)允許α2相的析出，并顯著改善了蠕變性能，而又不大損害塑性[15]。由于Ti60合金具有以上的特點(diǎn)，因此可以通過控制合金組織內(nèi)的硅的存在狀態(tài)、體積分?jǐn)?shù)及分布狀態(tài)，以及α2相的多少等來滿足不同的性能要求。因此，本文作者研究熱處理制度對(duì)Ti60合金組織及性能的影響，以確定合適的相處理工藝參數(shù)。

1、實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用原材料是由寶鈦集團(tuán)提供的d120mm的棒材，經(jīng)反復(fù)鐓拔后其高倍組織如圖1所示。由圖1可見，合金組織由等軸初生α相和β轉(zhuǎn)變組織組成，初生α相含量大約為40%左右，分布比較均勻，是典型的等軸組織。本研究采用金相法測(cè)得該合金的相變點(diǎn)為1050℃。

熱處理試驗(yàn)在箱式電爐中進(jìn)行，采用的熱處理制度如表1所列。合金經(jīng)過熱處理后，采用線切割切取標(biāo)距有效長度為25mm，工作直徑為d5mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。每種狀態(tài)下獲得的室溫拉伸性能數(shù)據(jù)均為3個(gè)拉伸試樣的平均值。為了觀察不同熱處理制度對(duì)合金組織的影響，采用透射電子顯微鏡(TEM)觀察了Ti60合金不同熱處理制度下的組織形貌。TEM薄膜試樣是用線切割切取厚度0.5mm左右的薄片，然后用砂紙磨至40μm厚，最后采用雙噴電解穿孔。

2、結(jié)果與分析

2.1熱處理對(duì)Ti60合金組織的影響

圖2所示為Ti60合金經(jīng)過(1015℃,2h)固溶處理后的TEM像。從圖2(a)可以看到連續(xù)的殘余β相，在α相內(nèi)部存在大量的位錯(cuò)，同時(shí)在晶界附近可以觀察到大量的位錯(cuò)墻及塞積位錯(cuò)，在α/β相界面上沒有第二相析出。從圖2(b)可以清楚的看到規(guī)則的等軸初生α晶粒及三叉晶界，晶界平直且無析出物，晶界周圍塞積了大量位錯(cuò)，由此可見，晶界和α/β相界對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)有一定的阻礙作用。

圖3所示為Ti60合金經(jīng)過(1015℃,2h)固溶、(700℃,2h)時(shí)效后的TEM像。從圖3中可以很清楚地看到呈橢球狀的硅化物沿晶界析出，電子衍射分析表明其為六方結(jié)構(gòu)的S2型硅化物，即(Ti,Zr)6Si3。有研究表明[15]，在TEM下觀察，S1型硅化物呈棒狀，S2型硅化物呈橢球狀，這也從另一側(cè)面表明了硅化物為S2類型。

圖4所示為延長時(shí)效時(shí)間至24h的Ti60合金的TEM像。由圖4可見，組織中有大量的硅化物析出，與時(shí)效2h試樣中的硅化物相比，尺寸有所增大，數(shù)量有所增多。但與2h的時(shí)效不同的是，經(jīng)24h長時(shí)間時(shí)效后，在TEM下觀察到合金內(nèi)部板條α內(nèi)析出大量細(xì)小的顆粒，電子衍射斑顯示其為超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，根據(jù)已有研究表明應(yīng)為α2有序相。從圖4(b)中可以看到，相界面上析出的硅化物與α板條內(nèi)析出的細(xì)小α2相共存。

2.2時(shí)效時(shí)間對(duì)Ti60合金拉伸性能的影響

時(shí)效時(shí)間的延長往往會(huì)導(dǎo)致材料屈服強(qiáng)度升高，塑性降低。通過時(shí)效來提高強(qiáng)度的同時(shí)，要兼顧材料的塑性，不能使其降低到不可接受的程度。為了研究不同時(shí)效時(shí)間對(duì)合金性能的影響，本研究分別設(shè)計(jì)了8、16和24h時(shí)效制度。圖5所示為合金經(jīng)過不同時(shí)間時(shí)效后的拉伸性能。從圖5中可以看出，隨著時(shí)效時(shí)間的延長，合金強(qiáng)度變化不大，但塑性明顯降低。說明了Ti60合金時(shí)效強(qiáng)化是有限度的，長時(shí)間時(shí)效后其強(qiáng)度不但不會(huì)增加，而其塑性卻會(huì)下降。結(jié)合上文所觀察的合金組織內(nèi)部的變化，可以認(rèn)為導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因與合金內(nèi)部第二相的析出有關(guān)。

3、討論

固溶時(shí)效處理是鈦合金中常用的一種熱處理制度。所謂固溶，即在高溫保溫過程中，使合金元素固溶到基體中，然后在快冷過程中發(fā)生非平衡轉(zhuǎn)變，形成過飽和固溶體，在隨后的時(shí)效過程中使過飽和度減弱，析出第二相[16]。這時(shí)可以通過調(diào)整時(shí)效溫度及保溫時(shí)間，使得第二相以對(duì)性能最有利的方式析出。在本試驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，只經(jīng)過固溶處理的試樣中沒有第二相的析出，只能觀察到大量的位錯(cuò)塞積在晶界附近，如圖2所示，說明硅元素完全固溶在基體中，形成了過飽和的固溶體，同時(shí)合金中也存儲(chǔ)了一定的能量，達(dá)到了固溶的目的。而儲(chǔ)茂友等[17]在對(duì)BT25y高溫鈦合金的研究中發(fā)現(xiàn)，合金在固溶處理狀態(tài)下就有硅化物的析出，羅媛媛等[18]在對(duì)Ti-B19鈦合金的研究中也發(fā)現(xiàn)了同樣的結(jié)果，他們認(rèn)為這可能是在熔鑄階段形成的硅化物，在鍛造和固溶處理過程中未完全溶解而保留下來了。

將固溶后的試樣在700℃時(shí)效2h后，觀察到有細(xì)小的硅化物在α/β界面析出，如圖3所示，而時(shí)效24h后，硅化物的析出不再局限在α/β界面析出，在初生α相內(nèi)和α板條內(nèi)都有析出，且呈線型排列，而且硅化物顆粒明顯增大，縱橫比減小，趨向于呈球形。

這與在IMI834和Ti?1100中觀察到的現(xiàn)象是一致的。在時(shí)效24h的試樣中，發(fā)現(xiàn)有大量的有序α2相的析出，析出的顆粒非常小但分布比較均勻。由Ti-Al二元相圖可知，鈦與鋁在一定成分范圍內(nèi)能夠形成初級(jí)固溶體，當(dāng)鋁含量達(dá)到臨界固溶度時(shí)，無序固溶體的密排六角結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性發(fā)生變化，Ti3Al有序相即α2相就開始析出。當(dāng)合金中的鋁含量充分高以至于接近Ti3Al的理想原子配比時(shí)，有序相的析出僅靠原子的重新排列就可以實(shí)現(xiàn)，對(duì)于α鈦合金及近α鈦合金而言，其鋁含量達(dá)不到理想配比，這樣α2相的析出將依賴于原子的擴(kuò)散。對(duì)Ti60合金而言，顯然其合金成分偏離理想的Ti3Al成分，α2相的析出是依靠原子擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)的。本次試驗(yàn)中，時(shí)效2h的試樣中沒有觀察到α2相的析出，這可能是由于時(shí)效時(shí)間太短而使α2相沒來得及析出，或是析出的量很少而沒有檢測(cè)到，而將時(shí)效時(shí)間延長至24h，就明顯地觀察到了α2相的析出。

鈦合金中含有0.1%~0.5%的合金元素硅，在時(shí)效或熱暴露過程中，硅化物和α2相往往同時(shí)析出，使其室溫塑性大幅度降低。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，鈦合金在時(shí)效或熱暴露后的塑性下降完全是α2相析出所致。

DONLON等[19]和崔文芳等[20]測(cè)試了Ti?1100和IMI834合金在450~750℃區(qū)間長時(shí)間暴露后的拉伸塑性，發(fā)現(xiàn)在α2相析出最強(qiáng)烈的溫度600℃左右合金的塑性為最低值，而在750℃暴露后，盡管硅化物已長大至600℃暴露時(shí)的2~3倍，但由于α2相的溶解而使合金塑性接近暴露前的水平。MADSEN和GHONEM[21]認(rèn)為Ti?1100合金在時(shí)效后屈服強(qiáng)度的升高是由于α2相析出造成的。而Ti?1100合金時(shí)效后的室溫塑性的降低是α2相和硅化物共同作用的結(jié)果，但在僅有硅化物時(shí)則表現(xiàn)出較好的室溫塑性，同時(shí)指出α2相的析出是導(dǎo)致合金高溫塑性降低的唯一原因。

另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為硅化物是引起合金塑性下降的主要原因。當(dāng)硅化物顆粒被切過后，位錯(cuò)塞積長度增加，塞積頂端處應(yīng)力增大，滑移容易集中在這一滑移面上，導(dǎo)致應(yīng)變高度集中，從而導(dǎo)致合金塑性喪失。另一說法是晶界硅化物的存在使合金臨界空位形核應(yīng)變降低，基面滑移帶切過硅化物會(huì)使硅化物開裂或形成空洞，這些空洞相互連接導(dǎo)致脆性開裂[22]。本文作者對(duì)Ti60合金的析出相與合金性能的研究表明，合金經(jīng)(700℃,2h)時(shí)效后，組織內(nèi)部在α/β相界面處有少量細(xì)小的硅化物析出，試樣中沒有觀察到α2相的析出，如圖3所示。由于時(shí)效時(shí)間較短，硅化物析出的數(shù)量少且尺寸小，這樣大量的硅固溶在基體中，起到彌散強(qiáng)化作用。少量的硅化物也可對(duì)晶界或相界起到一定的強(qiáng)化作用，不會(huì)引起顯著的應(yīng)變局部化，因此，這時(shí)合金具有良好的強(qiáng)度與塑性匹配。合金經(jīng)(700℃,24h)時(shí)效后，合金中析出的硅化物數(shù)量略有增加，個(gè)別硅化物尺寸較大，但在合金中的α板條內(nèi)，α2相已經(jīng)析出，其尺寸比硅化物的小得多，如圖4中所示，這時(shí)合金的強(qiáng)度提高了，塑性卻顯著降低，顯然這是由于有序α2相的析出所致。可見，Ti60合金析出相對(duì)塑性的影響規(guī)律與以上文獻(xiàn)[20?22]中的觀點(diǎn)是相似的。總之，硅化物和α2有序相是時(shí)效過程的產(chǎn)物，一般來說，兩者均能提高強(qiáng)度而降低塑性，引起合金脆化。

4、結(jié)論

1)Ti60合金經(jīng)(1015℃,2h)固溶處理后，大量的位錯(cuò)塞積在晶界附近，組織內(nèi)部沒有第二相析出。

2)合金經(jīng)2h時(shí)效以后，在晶界和相界上有(Ti,Zr)6Si3型硅化物析出，延長時(shí)效時(shí)間，硅化物析出數(shù)量增加，尺寸增大，并在板條組織內(nèi)部均勻的析出細(xì)小的有序α2相。

3)隨著時(shí)效時(shí)間的延長，合金強(qiáng)度變化不大，而塑性卻明顯下降，合金時(shí)效過程中第二相的析出是導(dǎo)致合金塑性下降的主要原因。

REFERENCES

[1] 陶春虎, 劉慶瑔, 曹春曉, 張衛(wèi)方. 航空用鈦合金的失效及其預(yù)防[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2002: 11?13.

TAO Chun-hu, LIU Qing-quan, CAO Chun-xiao, ZHANG Wei-fang. Failure and prevention of aeronautical titanium alloy[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 2002,11?13.

[2] 郭 萍, 洪 權(quán), 曾立英, 戚運(yùn)蓮, 劉 向, 趙永慶. 固溶處理對(duì)Ti-600 高溫鈦合金蠕變性能的影響[J]. 熱加工工藝, 2006,35(14): 50?52.

GUO Ping, HONG Quan, ZENG Li-ying, QI Yun-lian, LIU Xiang, ZHAO Yong-qing. Effect of solution heat treatment on creep property of Ti-600 high temperature titanium alloy[J].Material & Heat Treatment, 2006, 35(14): 50?52.

[3] 趙永慶. 高溫鈦合金研究[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展, 2001(1): 33?39.

ZHAO Yong-qing. The research of high temperature titanium alloy[J]. Titanium Industry Progress, 2001(1): 33?39.

[4] BANIA P J. Ti-1100: A new high temperature titanium alloy[C]//LACOMBE P, TRICOT R, BéRANGER G. 6th World Conference on Titanium. Paris, France: Les Editions de Physique,1988: 825?830.

[5] BLENKINSOP P A. Development in high temperature alloys[C]//LüTJERING G, ZWICKER U, BUNK W 5th World Conference on Titanium. Oberursel, Deutsche: Gesellschaft fur Metallkunde, 1984: 2323?2332.

[6] TETYUKHIN V, LEVIN I, ILYENKO V, BILIBINA E, USOVA T, PADYKOVA N. Heat-resistant titanium alloys with enhanced heat resistance, thermal  stability[C]//BLENKINSOP P A,EVANS W J, FLOWER H M. Titanium 95: Science and Technology. Cambridge, UK, 1996: 2430?2437.

[7] 張尚洲, 徐惠忠, 劉子全. 碳含量對(duì) Ti-60 合金時(shí)效過程中硅化物的影響[J]. 材料研究學(xué)報(bào), 2005, 19(5): 499?505.

ZHANG Shang-zhou, XU Hui-zhong, LIU Zi-quan. Effect of carbon on siliside precipitates during ageing of Ti-60 titanium alloy[J]. Chinese Journal of Materials Research. 2005, 19(5):499?505.

[8] 洪 權(quán), 戚運(yùn)蓮, 趙永慶, 楊冠軍. 加工工藝對(duì)Ti600合金板材組織性能的影響[J]. 稀有金屬材料與工程, 2005, 34(8):1334?1337.

HONG Quan, QI Yun-lian, ZHAO Yong-qing, YANG Guan-jun.Effect of rolling process on microstructure and properties of Ti600 alloy plates[J]. Rare Metal Materials and Engineering,2005, 34(8): 1334?1337.

[9] 李閣平, 李 東, 劉羽寅, 王青江, 關(guān)少軒, 李慶春. Ti-60 合金時(shí)效處理時(shí)初生α相的長大[J]. 航空材料學(xué)報(bào), 1997, 17(4):21

LI Ge-ping, LI Dong, LIU Yu-yin, WANG Qing-jiang, GUAN Shao-xuan, LI Qing-chun. Growth of primaryαphases in Ti-60 alloy after heat treatment[J]. Journal of Aeronautical Materials,1997, 17(4): 21.

[10] NEAL D F, FOX S P. The influence of silicon and silicides on the properties of near-alpha titanium alloys[C]//Titanium’92 Science and Technology, Warrendale, PA: TMS, 1993: 287?294.

[11] HUANG Z W, VOICE W, BOWEN P. The effects of long-term air exposure on the stability of lamellar TiAl alloys[J].Intermetallics, 2000, 8: 417?426.

[12] MADSEN A, GHONEM H. Effects of aging on the tensile and fatigue behavior of the near-αTi-1100 at room temperature and 593 ℃[J]. Materials Science and Engineering A, 1994, 177(1/2):63?73.

[13] KUMAR A, SINGH N, SINGH V. Influence of stabilization treatment on low cycle fatigue behavior of Ti alloy IMI834[J].Materials Characterization, 2003, 51: 225?233.

[14] 王金友, 葛志明, 周邦彥. 航空用鈦合金[M]. 上海: 上海科技出版社, 1985: 233?249.

WANG Jin-you, GE Zhi-ming, ZHOU Bang-yan. Aeronautical titanium alloys[M]. Shanghai: Shanghai Science and Technology Press, 1985: 233?249.

[15] SINGH A K, ROY T, RAMACHANDRA C. Microstructural stability on aging of anα+βtitanium alloy Ti-6Al-1.6Zr-3.3Mo-0.30Si[J]. Metall Mater Trans A, 1996, 27:1167?1173.

[16] 辛社偉, 趙永慶. 關(guān)于鈦合金熱處理和析出相的討論[J]. 金屬熱處理, 2006, 31(9): 39?42.

XIN She-wei, ZHAO Yong-qing. Discussion about the heat treatment and precipitated phases of titanium alloy[J]. Heat Treatment of Metals, 2006, 31(9): 39?42.

[17] 儲(chǔ)茂友, 惠松驍, 張 翥, 沈劍韻. BT25y 高溫鈦合金固溶處理及熱暴露過程中硅化物的析出機(jī)制[J]. 電子顯微學(xué)報(bào),2004, 23(2): 168?172.

CHU Mao-you, HUI Song-xiao, ZHANG Zhu, SHEN Jian-yun.Precipitation mechanism of silicide in BT25y titanium alloy in solution treatment and thermal exposure[J]. Journal of Chinese Electron Microscopy Society, 2004, 23(2): 168?172.

[18] 羅媛媛, 趙永慶, 曾衛(wèi)東, 周義剛. Ti-B19 合金固溶時(shí)效過程中硅化物的析出行為[J]. 金屬熱處理, 2008, 33 (7): 5?8.

LUO Yuan-yuan, ZHAO Yong-qing, ZENG Wei-dong, ZHOU Yi-gang. Precipitation behavior of silicides in Ti-B19 titanium alloy during solution and aging[J]. Heat Treatment of Metals,2008, 33 (7): 5?8.

[19] DONLON W T, ALLISON J E, LASEOK J V. The influence of thermal exposure on properties and microstructure of elevated temperature titanium alloys[C]// FROES F H, CAPLAN I.Titanium’92 Science and Technology. Warrendale, PA: TMS,1992: 295?302.

[20] 崔文芳, 邊為民, 羅國珍, 洪 權(quán), 周 廉. 熱暴露對(duì)IMI834近α高溫鈦合金組織和拉伸性能的影響[J]. 航空材料學(xué)報(bào), 1997,17(4): 15?20.

CUI Wen-fang, BIAN Wei-min, LUO Guo-zhen, HONG Quan,ZHOU Lian. Effect of thermal exposure on the microstructures and tensile properties of near-αhigh temperature titanium alloy IMI834[J]. Journal of Aeronautical Materials, 1997, 17(4): 15?20.

[21] MADSEN A, GHONEM H. Separating the effects of Ti3Al and silicide precipitates on the tensile and crack growth behavior at room temperature and 593 ℃ in a near-alpha titanium alloy[J].Journal of Materials Engineering and Performance, 1995, 4(3):301?307.

[22] 董 飛, 何國強(qiáng), 張貴田. 合金元素 Si 在鈦合金中作用的研究進(jìn)展[J]. 金屬熱處理, 2007, 32(11): 5?10.

DONG Fei, HE Guo-qiang, ZHANG Gui-tian. Research development of the effect of Si element on titanium alloy[J].Heat Treatment of Metals, 2007, 32(11): 5?10.