热处理对高铌Ti AI基合金组织与性能的影响

 赵成志  张贺新 金天文  余娇娇姜铸航

 （哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院，超轻材料与表面技术教育部重点实验室）

摘要高铌Ti AI合金的铸态组织，粗大不均匀，有少量B2相，长条状硅化物和硼化物沿晶界析出，使合金的室温塑性强度和断裂韧度降低。研究了均匀化处理和循环热处理等热处理方式对Ti-45Al-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2Si组织的影响。结果表明，采取均匀化处理，随炉加热到1 200℃，保温24 h，空冷，再循环热处理，快速加热到1 150℃，保温4h，空冷，循环3 次可获得理想的显微组织。

 关键词  T1-45Al-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2Si;热处理；显微组织

 中图分类号  TG113.25；TG146. 23  DOI：10. 15980/j．tzzz. 2016. 05. 002

 y-Ti AI基合金是一种理想的轻质高温结构材料，具有密度小、比强度高、比刚度高、高温性能好、抗氧化性和耐蚀性优异等优点，使用温度高达700～1 000℃，可以应用于航空、航天及船舶等领域。但是，由于其室温塑性差、难加工成形等，限制了其广泛应用。在Ti Al基合金成分的基础上，添加较高含量的N b可使Ti Al基合金的室温屈服强度达到800 M Pa，760℃下的高温强度可达550 M Pa，同时不影响其室温伸长率，并能大幅提高合金的抗氧化性。高铌Ti Al基合金铸态显微组织粗大且不均匀，沿晶界析出B2相以及长条状硅化物和硼化物，这些都将会导致合金室温塑性、强度和断裂韧度降低。通过均匀化处理和循环热处理使材料在固态转变过程中形成细小均匀的片层组织，从而可以改善Ti Al基合金的室温脆性和高温抗氧化性。本课题对Ti-45Al-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2Si合金在不同热处理工艺下的组织进行了分析，探讨了该新型Ti Al合金的热处理工艺对组织演变规律的影响。

1试验材料及方法

 设计了Ti-45AI-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2Si高铌合金，并采用Thermo- calc软件对其相图进行了分析。按设计合金摩尔比成分进行配料，并采用真空非自耗钨氩弧熔炼设备重复熔炼获得铸态Ti-45Al-8Nb-0.5 W-0. 8B-0．2Si合金铸锭，铸锭宏观形貌及微观组织见图1和图2。

 可以看出，合金中晶粒尺寸粗大，晶粒由不同取向的片层组织构成，晶内是相互平行的两相组成的片层组织，片层平直，厚度均匀。熔炼6次后比熔炼4次得到的晶粒更加细小，晶界更明显，晶界处有少量的条状析出物，经XRD检测分析，为），相、B2相和Laves相，晶内片层明显细化，组织更加均匀。一般来说，具有细小锯齿状晶界（晶粒尺寸<300μ m）的全片层组织的Ti Al基合金各方面性能比较优良，因此后续均通过6次重熔，并期望通过进一步热处理工艺获得到细小锯齿状晶界的全片层组织。

  Ti Al基合金快速加热可以减少应力集中，提高固溶效果，所以采用快速加热循环热处理。

 根据Thermo-Calc软件计算可知，Ti-45Al-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2S1合金的共析温度Te=1 022℃，a单相区转变温度Te=1 363℃，试验热处理工艺见表1。

 其中空冷是将石英封闭管从炉中取出，待表面红热退去后，破壁使其中的合金试样加快冷却速度；50℃水冷是将石英管取出迅速放入50℃温水中，破壁，加快冷却速度；炉冷即石英管在炉中自然冷却至室温。

2  试验结果与讨论

2.1  均匀化处理加热温度对合金组织的影响

 对Ti-45Al-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2Si合金分别进行工艺A、工艺B热处理，均匀化热处理后的显微镜组织见图3。由图3可以看出，两种工艺处理后试样表面均有一层薄的银白色氧化层且表面无裂纹。与合金铸态组织相比更为细小和均匀；工艺B热处理后的组织相对工艺A来说，片层晶界更加明显，且沿片层边界析出较多的颗粒状物。均匀化处理有利于促进B2相的析出。可见，提高固溶温度后空冷，可以得到更均匀的组织。

2.2均匀化处理冷却方式对合金组织的影响

 均匀化处理冷却方式对合金T1-45Al-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2Si组织的影响见图4。热处理工艺分别为工艺B、工艺C、工艺D、工艺E，加热温度均为1 200℃，保温24 h，冷却方式分别为空冷、50℃水冷、转800℃炉后空冷、炉冷。

 从图4b可见，材料表面变色，试样表面出现裂纹；工艺D和工艺E的试样表面均有薄银白色氧化层，表面无裂纹，见图4c和图4d。由图4可以看出，工艺B的试样片层组织比较均匀、细小，沿晶界析出B2相颗粒状物；而工艺C的试样析出少量的颗粒状物，片层不够细化，且试样出现裂纹；工艺D的试样片层晶团较粗大，没有达到细化的目的；工艺E的试样析出了较多的大颗粒状物，对性能不利。由此可见，Ti-45Al-8Nb-0.5W-0. 8B-0. 2Si合金均匀化处理工艺在随炉加热到1 200℃，保温24 h，空冷时，微观结构较为理想。

2.3  循环热处理循环次数和保温时间对合金组织的影响

 对Ti-45Al-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2Si合金分别进行工艺F、工艺G和工艺H下热处理的显微组织见图5。其中1 150℃高于共析温度100℃以上，800℃低于共析温度。在共柝温度上下反复热处理，有利于改变固溶与时效方式，从而影响合金组织。

 工艺F和工艺G的循环加热温度不同，从图5a和图5b可以看出，前者中沿晶界析出颗粒物较多，而析出条状物较少，而后者析出颗粒状物较少，但沿晶界和晶内分布大量的条状y相Ti Al析出物，这与循环温度较低有关。颗粒状物对组织细化有利，而条状物不利于组织进一步细化，可见循环温度均在共析温度以上，有利于细化晶粒和片层组织。

 工艺F和工艺H的循环保温时间和循环次数不同，从图5a和图5c比较看出，后者的显微组织更均匀、细小，沿晶分布颗粒状析出物，而前者相对晶粒较粗大，且组织不够均匀，可见当循环保温时间提高时，减少循环次数不仅不影响组织的细化，反而会促进片层晶团的细化。

2.4循环热处理冷却方式对合金组织的影响

 对Ti-45Al-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2Si合金分别进行工艺H和工艺I热处理，分析了循环热处理冷却方式对其微观组织的影响。工艺H和工艺I均是在1 150℃保温4h，循环3次，不同的是工艺H最后一次转入800℃炉中，保温30 min后空冷，而工艺I直接空冷，见图6。可以看出，工艺H和工艺I热处理后材料均为细小均匀的片层组织，工艺I处理后的片层组织晶界更清晰，析出相较少，片层组织分布均匀；而工艺H热处理后材料析出了大量的块状物( y/a2)，片层组织特征弱化，接近于双态组织。可见工艺J直接空冷热处理更有利于细小均匀的片层组织获得，析出的弥散分布的颗粒状物（Laves、Ti5Si3、Ti3B4和TiB2）有利于提高合金的室温强度和塑性。

2.5  不同热处理工艺下的硬度变化下Ti-45AI-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 

2SiT1-45Al-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2Si合金铸态和不同热处理态下的硬度见图7。

 可以看出合金在铸态下的硬度最高，均匀化处理后使合金组织均匀化的同时也使硬度降低，有利于提高合金的塑性和韧性。对比合金在50℃水冷、空冷、炉冷下硬度依次降低，说明冷速越快，硬度越高。在经过工艺B处理后，除了工艺G使合金的硬度上升外，工艺F、工艺H、工艺I均使合金的硬度下降，其中工艺J的硬度下降最多，说明在共析线温度上下做循环热处理不利于降低合金的硬度，而在共析线温度以上做循环热处理有利于降低合金的硬度，其中工艺I在获得均匀细小的片层组织的同时，硬度下降的最多，说明片层晶团间析出相会使硬度下降。铸锭经过工艺I处理后，硬度(HRC)约下降10，合金在热处理细化组织、消除偏析、析出相的同时，降低了硬度，有利于提高合金的综合力学性能，改善合金室温脆性。

2.6 Ti-45AI-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2Si合金热处理后的成分组成变化

 高铌Ti-45Al-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2Si合金铸态和工艺I热处理后的XRD衍射图谱见图8。可以看出，高铌Ti Al基合金经过工艺，处理仍是由y-Ti Al相、a2 -Ti3 Al相和p(B2)相组成。y-Ti Al相占据主要峰位，峰强较高且峰位数较多，为主要相；a2-Ti3Al相也占据了一些峰位，单独成峰或与p(B2)相共用一条峰，同为主要相，但含量要明显少于y-Ti AI相；口相没有单独成峰，或是与y-Ti Al相共用一条峰，或是与a：-Ti3AI相共用一条峰，含量较少。经过工艺I处理后的合金与铸态合金XRD图峰位差别不大，但y-Ti Al相的峰强增强，单独成峰或与其他合金相共用一条峰的数量均增多，表明y-Ti Al相的含量有较大的提高；其次，a2-Ti3Al相的峰强减弱，单独成峰或与其他合金相共用一条峰的数量均减少，表明a2 -Ti3Al相的含量大幅下降，进而a2/y的体积分数降低，这与热处理减少a2相和促进y相的析出有关；另外，B2相的峰位数明显减少，因此B2相的含量明显减少，这与热处理消除铸态组织的显微偏析有关，减少B2相，有利于提高合金的塑性和韧性。

3  结  论

 (1)采用Themo-calc软件设计并熔炼制备了Ti-45Al-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2Si高铌Ti Al基合金铸锭，通过优化循环次数、保温时间和冷却方式等参数研究了不同热处理方式对Ti-45Al-8Nb-0. 5W-0. 8B-0. 2Si合金组织的影响。

 (2)均匀化处理，随炉加热至1 200℃，保温24 h，空冷，再循环热处理，快速加热到1 150℃，保温4h，空冷，循环3次后获得的材料具有良好的细化组织，并具有合适的硬度。