TB17钛合金两相区等温时效析出行为研究

信云鹏，朱知寿，王新南，商国强，祝力伟，李明兵，李 静，刘格辰

(中国航发北京航空材料研究院, 北京 100095)

钛及钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀性优良等特点, 被广泛应用于航空航天领域[1-3]。为了满足新一代飞机对高强度材料，国内外研究机构开发了大量新型钛合金[4-6]。其中，亚稳β钛合金具有良好的淬透性，可以通过固溶和时效热处理获得较高的强度并且保持良好的塑韧性匹配而受到广泛关注[7-10]。目前，高强钛合金仍然以亚稳β钛合金为主[11-12]，如β-21S、Ti1023、Ti-55531等，强度级别基本集中在1 100～1 250 MPa之间[13-15]。

亚稳β钛合金经过固溶时效后，在基体上会析出细小次生α相，次生α相的尺寸、形态、分布状况和体积分数对强度和延伸率等性能有显著影响[16-18]。常辉等人[19]研究了Ti-B19合金等温时效过程中的组织演变和生长机理，发现在450 ℃以下等温时效时，次生α相在β晶粒内部发生不均匀形核；在500 ℃以上等温时效时，次生α相在晶内与晶界处同时析出，晶内析出的次生α相呈细长针状，晶界处呈相互平行状。Dehghan-Manshadi等人[20]研究了Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr合金在低温时效过程中α相的形态变化，发现α相在ω相上预先形核的现象，并且α相形态随时效时间的延长会有较大的变化。因此，研究钛合金固溶后的等温时效析出行为对于提高合金强度，形成良好的塑韧性匹配具有十分重要的意义。

TB17是我国研发的新型亚稳β钛合金，该合金经过固溶时效热处理后抗拉强度可以达1 350 MPa，断裂韧性超过50 MPa·m1/2，具有良好的塑韧性匹配。该合金中加入了较多的β稳定元素，其相变过程较为复杂。目前对该合金的研究主要集中在单相区固溶后的晶粒长大动力学和等温时效析出行为等方面，鲜有关于该合金在α+β两相区固溶后等温时效的研究报道。本研究对两相区固溶后的TB17钛合金进行时效处理，分析时效温度和保温时间对次生α相形态、尺寸、数量和分布的影响，研究结果对于了解该合金的相变规律十分重要，并且在α+β两相区对TB17钛合金进行固溶时效热处理是其工程应用中的主要热处理方式之一，具有较强的工程指导意义。

1 实 验

实验原材料为经过3次真空自耗电弧熔炼得到的TB17钛合金铸锭，名义成分为Ti-4.5Al-6.5Mo-2Cr-2.6Nb-2Zr-1Sn。铸锭经高温开坯锻造、两相区终锻后成为φ220 mm的棒材，其显微组织为典型的双态组织，组织中有大量的等轴状初生α相，如图1所示。用金相法测得合金相变点为842 ℃。用电火花线切割机从棒材上切割φ10 mm×15 mm的热处理试样。

图1 TB17钛合金棒材的显微组织Fig.1 Microstructure of TB17 titanium alloy bar

将试样置于马弗炉(控温精度±3 ℃)中进行固溶和时效热处理。首先进行812 ℃×30 min/AC固溶处理,然后分别在350、450、550 ℃进行等温时效处理，保温时间从1 min到16 h，水冷。

采用FEI Nava SEM 450场发射扫描电子显微镜(FESEM)进行显微组织观察。样品用自动抛光机抛光，然后在V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=10∶7∶83的腐蚀液中进行腐蚀处理。采用FEI Titan-Themis透射电子显微镜(TEM)对析出相进行表征和分析。TEM样品采用双喷法制备：首先用电火花线切割机从热处理后的TB17钛合金试样上切割φ5 mm×0.3 mm薄片，用砂纸打磨至50 μm后，裁出直径3 mm的圆片；然后采用V(CH3OH)∶V(CH3(CH2)3OH)∶V(HClO4)=7∶12∶1的腐蚀液，经过双喷电解减薄制得TEM样品，电压20 V，温度253 K。采用布鲁克D8 ADVANCE X射线衍射仪进行物相分析，阳极靶材选用Co靶，管电流40 mA，管电压40 kV。

2 结果和讨论

2.1 350 ℃等温时效

在透射电子显微镜观察中，能够在β衍射斑点之间观察到较暗的ω相条纹，表明ω相较小，无法用暗场像观察到ω相形貌。图2a是TB17钛合金在350 ℃等温时效4 h后的高分辨透射电子显微镜明场像，图2b是对应的傅里叶变换得到的衍射斑点。β相的电子束入射方向是[011],ω相衍射斑点在β相衍射点之间，电子束入射方向为[100]。从图2可以观察到ω相的尺寸为3～5 nm，呈椭圆状分布在β基体上。表明TB17钛合金在两相区固溶后，在350 ℃等温时效过程中发生了β→ω相变。

图2 TB17钛合金在350 ℃等温时效4 h后的高分辨透射电子显微镜明场像及对应的快速傅里叶变换图Fig.2 TEM images of TB17 titanium alloy isothermal aged at 350 ℃ for 4 h: (a)HRTEM bright-field image; (b)the corresponding fast Fourier transformation(FFT)

2.2 450 ℃等温时效

图3是TB17钛合金在450 ℃等温时效不同时间后的XRD图谱。从图3可以看出，TB17钛合金经过两相区固溶热处理后，存在α衍射峰，这是由于固溶处理后β基体上存在初生α相。经过15 min等温时效后，在41°处的(100)α衍射峰变得尖锐，衍射峰的半高宽也逐渐增加，47°处的(101)α衍射峰的强度逐渐增加。此外，其他位置也有更多的α相特征峰出现，说明在450 ℃保温15 min后，发生了β→α转化，开始析出α相。等温时效16 h后，随着更多次生α相的析出，在XRD图谱中可以清晰地观察到α相特征峰。

图3 TB17钛合金在450 ℃等温时效不同时间后的XRD图谱Fig.3 XRD patterns of TB17 titanium alloy isothermal aged at 450 ℃ for different time

图4是TB17钛合金在450 ℃分别等温时效15 min和16 h后的FESEM照片。从图4可以看出，等温时效15 min后，基体上析出细长针状的次生α相，在晶界位置析出的次生α相呈彼此平行状分布。等温时效16 h后，析出的次生α相均匀分布在β基体上，其形态由15 min时的细长针状变为短棒状，长径比减小，并且可以观察到次生α相在亚晶界周围呈彼此平行状析出。

图4 TB17钛合金在450 ℃等温时效不同时间后的FESEM照片Fig.4 FESEM images of TB17 titanium alloy isothermal aged at 450 ℃ for different time： (a)15 min； (b)16 h

图5 TB17钛合金在450 ℃等温时效不同时间后的TEM照片及选取电子衍射图Fig.5 TEM images of TB17 titanium alloy isothermal aged at 450 ℃：(a)isothermal aged for 10 min；(b)isothermal aged for 4 h； (c)selecting area electron diffraction(SAED) of the circle position inFig.5a

2.3 550 ℃等温时效

图6是TB17钛合金在550 ℃等温时效不同时间后的XRD图谱。从图6可以观察到，时效5 min后，41°处的(100)α衍射峰和47°处的(101)α衍射峰变得尖锐，半高宽度增加。这表明等温时效过程中发生了β→α相变，且等温时效进行5 min时次生α相已经开始在β基体上析出。

图6 TB17钛合金经550 ℃等温时效不同时间后的XRD图谱Fig.6 XRD patterns of TB17 titanium alloy isothermal aged at 550 ℃ for different time

图7为TB17钛合金在550 ℃等温时效不同时间后的FESEM照片。从图7可以观察到，等温时效5 min后亚晶界上有许多彼此平行状析出物，说明次生α相首先从亚晶界位置开始析出，并逐渐生长到晶粒内部。析出的次生α片层厚度约为20 nm。

图7 TB17钛合金在550 ℃等温时效不同时间后的FESEM照片Fig.7 FESEM images of TB17 titanium alloy isothermal aged at 550 ℃ for different time： (a)5 min；(b)16 h

随着时效时间的延长，次生α相开始在晶粒内部析出和生长。保温16 h后，次生α相片层厚度增加到28 nm，并且长度减小。这是因为次生α相的生长是一个扩散过程，保温时间增加，次生α相数量增加，并相互接触、抑制生长。为了降低界面能，次生α相变粗，长径比减小，由细长针状变为短棒状。与450 ℃等温时效析出相比，在550 ℃等温时效过程中析出的次生α相片层较厚，长度较大。这是因为在550 ℃保温时，温度较高，温度梯度较小，形核质点相对较少，并且扩散速率更快，次生α相具有较大的生长空间。又由于亚晶界的存在，晶体中有更多的形核质点，在时效析出过程中促进了晶粒中α相的均匀析出，有利于提高合金的均匀性。

图8 TB17钛合金在550 ℃等温时效不同时间后的TEM照片及选取电子衍射图Fig.8 TEM images of TB17 titanium alloy isothermal aged at 550 ℃：(a)isothermal aged for 5 min； (b)isothermal aged for 4 h； (c)selecting area electron diffraction(SAED) of the circle position inFig.8a

3 结 论

(1)TB17钛合金在α+β两相区固溶后，经350 ℃等温时效4 h，发生了β→ω相变，形成的ω相尺寸在3～5 nm之间，呈椭圆状分布在β基体上。

(2)TB17钛合金在α+β两相区固溶后，经450 ℃和550 ℃等温时效，发生了β→α相变，次生α相首先在晶界和亚晶界周围呈彼此平行状析出，且温度较低时析出的次生α相更为细小。同时，大量亚晶界的存在为α相析出提供了形核质点，促进了析出相的均匀分布。

(3)随着等温时效时间的延长，次生α相数量增加，次生α相相互接触、抑制，为降低界面能，长径比减小，由细长针状逐渐变为短棒状。