李 倩，葛 鵬，周 偉，趙永慶

(1.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)(2.西部鈦業(yè)有限責任公司，陜西 西安 710201)

Ti-5Al-10Cr合金棒材的時效響應研究

李 倩1，葛 鵬2，周 偉1，趙永慶1

(1.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)(2.西部鈦業(yè)有限責任公司，陜西 西安 710201)

對固溶處理的近β型Ti-5Al-10Cr合金進行了不同溫度和時間的時效處理，觀察了時效處理后合金的顯微組織，分析了合金的相組成，并對硬度及拉伸性能進行了測試分析。結果表明，隨著時效溫度的提高，析出α相的體積分數(shù)先增多后減少，合金的抗拉強度與α相體積分數(shù)有著同樣的變化趨勢；合金在低溫長時間時效或高溫時效時，會析出TiCr2相，時效溫度較低時該相對合金硬度有一定貢獻，隨著時效溫度升高，該析出相長大，對硬度的貢獻下降。

Ti-5Al-10Cr合金；時效響應；析出相

0 引 言

近β型鈦合金以其高強度、高斷裂韌性和優(yōu)良的抗腐蝕性能，成為航空航天領域重要的結構材料。眾所周知，析出強化是近β型鈦合金的主要強化手段之一，析出相的尺寸、形狀和分布規(guī)律等對合金的力學性能有著至關重要的影響[1-2]。已有相關研究表明[3-5]，近β型鈦合金經(jīng)過固溶處理后，在不同的溫度區(qū)間時效會出現(xiàn)不同的析出行為。因為時效工藝會影響合金中析出相的形貌、尺寸及分布，而通過研究簡單三元系近β鈦合金的時效析出行為來研究析出強化效應不失為一種簡便的研究方法。本研究依托國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目，對近β型Ti-5Al-10Cr合金進行固溶、時效等熱處理，通過光學金相組織分析、掃描斷口分析、透射電鏡分析、XRD分析等研究手段，研究時效工藝對合金組織特征與力學性能的影響，以期探明該合金α相、β相的轉變與形態(tài)演變特征及時效響應。

1 實 驗

實驗材料為采用真空自耗電弧爐熔煉的Ti-5Al-10Cr合金鑄錠，鑄錠在β相區(qū)開坯，兩相區(qū)鍛造成70 mm×70 mm方棒。用金相法測得合金相變點為850±5 ℃。從棒材上取縱向拉伸試樣、硬度試樣、金相試樣及XRD試樣。對試樣進行900 ℃×30 min/WQ固溶處理。為了解時效制度對合金組織性能的影響，在固溶制度相同的前提下共進行了4種溫度、7種時間的時效處理，具體時效制度見表1。

表1 Ti-5Al-10Cr合金的時效處理制度

Table 1 Heat treatment program for Ti-5Al-10Cr alloy

硬度測試在450D型維氏硬度測試儀上進行，壓頭壓力10 kg，保壓時間30 s。拉伸測試在INSTRON 5982型試驗機上進行。顯微組織觀察在Olympus-PMG3型光學顯微鏡上完成。拉伸斷口形貌觀察在JEOL JSM-6390A型掃描電子顯微鏡上完成。XRD分析在D8 ADVANCE型XRD分析儀上進行，試樣尺寸為10 mm×10 mm×10 mm。

2 結果與分析

2.1 Ti-5Al-10Cr合金固溶處理后的組織

為了使成分和組織均勻化，強化時效響應，大部分的β型鈦合金均進行固溶處理。前期研究結果表明，固溶溫度超過900 ℃，尤其是達到1 100 ℃時，合金晶粒會急劇增大，因此選取的固溶溫度為900 ℃。圖1為Ti-5Al-10Cr合金在900 ℃固溶處理30 min后水冷的金相照片。由圖1可知，合金固溶處理后呈現(xiàn)出較為均勻的等軸β晶粒，β晶粒平均尺寸為213 μm。Ti-5Al-10Cr合金含有大量的β穩(wěn)定元素，臨界冷卻速度也較小，因此能將β相全部保持到室溫。圖2為Ti-5Al-10Cr合金在900 ℃固溶處理后的XRD譜圖。由圖2可見，合金由單一β相組成，說明在固溶處理的冷卻過程中，沒有次生相析出。

圖1 Ti-5Al-10Cr合金經(jīng)900 ℃固溶后的金相照片F(xiàn)ig.1 Metallograph of Ti-5Al-10Cr alloy solution treated at 900 ℃

圖2 Ti-5Al-10Cr合金經(jīng)900 ℃固溶處理后的XRD譜圖Fig.2 XRD pattern of Ti-5Al-10Cr alloy solution treated at 900 ℃

2.2 Ti-5Al-10Cr合金的時效響應

圖3為經(jīng)900 ℃×30 min/WC固溶處理后的Ti-5Al-10Cr合金，再經(jīng)不同溫度、不同時間時效處理后的硬度變化曲線。由圖3可知，在400、500 ℃時效處理時，時效硬化效果明顯，Ti-5Al-10Cr合金時效響應較快，尤其400 ℃時效處理時，合金的時效響應十分迅速，得到的時效硬度峰值也比其他溫度下的峰值要高；在600、700 ℃時效處理時，尤其是700 ℃時效時，合金的時效硬化效果較差，時效前后的硬度基本處于同一水平。

圖3 Ti-5Al-10Cr合金維氏硬度隨時效時間的變化曲線Fig.3 The Vicker’s hardness of Ti-5Al-10Cr alloy following the change of aging time

為考察時效時間對晶格常數(shù)的影響，利用測得的Ti-5Al-10Cr合金的XRD圖譜，通過JADE軟件計算出其在500、600 ℃時效處理后析出α相的晶格常數(shù)a、c，進而得到c/a值。圖4為Ti-5Al-10Cr合金晶格參數(shù)c/a值隨時效時間的變化曲線。

圖4 Ti-5Al-10Cr合金晶格參數(shù)c/a值隨時效時間變化曲線Fig.4 Ti-5Al-10Cr alloy lattice constant c/a curve varied with the aging time

如果合金更易于變形的話，對應的硬度值應該較小。這是因為試樣在硬度測試時更容易出現(xiàn)較大的壓痕。對比圖3、圖4可以看出，合金在600 ℃時效時，晶格參數(shù)c/a值與硬度值對應的較好，即c/a值小時硬度值也相應較小，其曲線與硬度隨時效時間變化曲線基本吻合。而在500 ℃時效時，2h硬度上升(圖3)而此時的c/a值卻降低，4h情況與2h相反，此時硬度值下降而c/a值卻升高，但是4h的硬度值比1h略高，c/a值同樣表現(xiàn)為比1h的c/a值略高，其他點變化趨勢基本吻合。

2.3Ti-5Al-10Cr合金的時效析出行為

圖5為固溶處理Ti-5Al-10Cr合金經(jīng)不同溫度時效處理后的XRD譜圖。未經(jīng)時效處理的合金，由單一的亞穩(wěn)β相組成(圖2)，{110}、{211}、{200}等譜線強度很高。經(jīng)過500 ℃時效后，合金中析出了大量的α相，其β相的譜線已經(jīng)非常不明顯，只有最強峰{110}能顯示出來(圖5a)，說明此時的α相含量遠遠大于β相含量。600 ℃時效時，可以看出析出相α{100}、{002}、{110}譜線的強度較500 ℃時(圖5b)有很大提高，說明合金中α相含量逐步增加，并且出現(xiàn)了TiCr2相(圖5b)。Cr是一種慢共析型β穩(wěn)定元素，從Ti-Cr相圖可知[6]，在667 ℃附近存在共析點，當溫度降至該溫度以下時，發(fā)生共析反應，平衡狀態(tài)下析出共析反應產(chǎn)物——金屬間化合物TiCr2相。Ti-4.5Cr合金在550 ℃保溫100 h析出TiCr2相，Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C合金在540 ℃熱暴露100 h出現(xiàn)TiCr2相[7]。TiCr2相是一種高熔點、高硬度的金屬間化合物，對合金硬度的提高有貢獻。在600 ℃時效4 h后，出現(xiàn)了比較明顯的TiCr2相(圖5b)，還有少量的β相，此時對應的硬度值(圖3)有比較明顯的升高。而在700 ℃時效時，因為超過了TiCr2相形成的溫度，所以沒有形成TiCr2相(圖5c)，而同時β相體積分數(shù)較600 ℃時明顯增大。

圖5 Ti-5Al-10Cr合金在不同溫度時效后的XRD 譜圖Fig.5 XRD pattern of Ti-5Al-10Cr alloy aged at different temperatures

圖6為Ti-5Al-10Cr合金經(jīng)不同溫度時效處理后的SEM照片。Ti-5Al-10Cr合金經(jīng)400 ℃時效4 h后，從放大2萬倍的掃描照片中(圖6a)幾乎看不到析出的α相，500 ℃時效4 h后析出的α相為細小的片層狀(圖6b)。600 ℃時效4 h后，在β基體上析出的依然為片層狀α相，比500 ℃時效得到的α相尺寸大。而在700 ℃時效，因為超過了TiCr2相形成的溫度，所以沒有TiCr2相的存在(圖5c)，而同時β相體積分數(shù)有明顯增多。析出的α相為片層狀(圖6d)，與圖6c相比，片層α相粗化嚴重。

Ti-5Al-10Cr合金具有隨著時效溫度的升高，析出α相體積分數(shù)先增多后減少現(xiàn)象，有著多方面的原因。對于亞穩(wěn)β、近β鈦合金，由于β穩(wěn)定元素含量較多，在固溶或退火過程中有大量不穩(wěn)定的殘余β相保留，時效過程中，這些殘余β相分解，會發(fā)生下列反應[8-9]：①β→α+ω；②β→α+ω→α+β；③β→α+β′→β+α；④β→α+β。在本研究中，僅發(fā)現(xiàn)發(fā)生了反應④，這是一種同素異構轉變，也是分解反應，即α相的形核和長大過程。

圖6 Ti-5Al-10Cr合金經(jīng)不同溫度時效處理后的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM micrographs of Ti-5Al-10Cr alloy with different heat treatments

Ti-5Al-10Cr合金在400～500 ℃范圍內(nèi)進行時效處理，當時效溫度較低(400 ℃)時，α相容易形核，但擴散困難，不容易長大，這樣就會形成細小彌散的α相。時效溫度升高至500 ℃時，α相呈增多趨勢，這是因為在較低的溫度(400 ℃)下雖然α相形核容易，但是很多核心由于原子擴散困難，只有一部分能夠長大形成析出相[10]。隨時效溫度進一步升高(>500 ℃)，α相則由于過冷度過小而形核困難，長大容易，這樣得到的析出α相體積分數(shù)有一定下降，尺寸較大。但近β鈦合金由于Tβ低(760～800 ℃)[11]，兩相區(qū)的溫度范圍也隨之較低，如果時效溫度過高，就存在隨時效溫度升高，部分α相發(fā)生溶解的現(xiàn)象。因此，Ti-5Al-10Cr合金表現(xiàn)出析出α相的體積分數(shù)隨時效溫度的升高先增加后減少的現(xiàn)象。對比圖6可以看出，Ti-5Al-10Cr合金的最佳時效溫度為500 ℃，在這個溫度下形核和核心長大達到最佳匹配，從而得數(shù)量較多且彌散析出的α相。

2.4 時效析出行為對拉伸性能的影響

根據(jù)Ti-5Al-10Cr合金的時效硬化表現(xiàn)，即在時效4 h時基本達到最大值，所以選取時效時間為4 h。而考慮到400 ℃時效處理時合金的硬度值較高，塑性會比較差，因此在拉伸性能測試制度的選擇上暫不考慮400 ℃低溫時效。表2列出了900 ℃固溶的Ti-5Al-10Cr合金經(jīng)600、700 ℃時效4 h后的拉伸性能。從表2可以看出，700 ℃時效較600 ℃時效后強度平均高出了約100 MPa，說明該鈦合金時效后顯微組織中次生α相的體積分數(shù)和形態(tài)決定了合金的強度水平。然而600 ℃時效合金的強度與700 ℃相比雖有些降低，但依然發(fā)生脆性斷裂，未能測出延伸率，說明合金塑性較差。時效溫度越低，塑性會越差，因此沒有對該合金進行500 ℃時效后的室溫拉伸測試。

表2 Ti-5Al-10Cr合金經(jīng)不同溫度時效處理后的拉伸性能

Table 2 Tensile properties of Ti-5Al-10Cr alloy after different aging treatments

圖7為固溶后的Ti-5Al-10Cr合金經(jīng)不同溫度時效處理后的拉伸斷口形貌。從圖中可以看出，Ti-5Al-10Cr合金無論是600 ℃時效還是700 ℃時效，斷口平齊而光亮，斷口形貌均呈現(xiàn)結晶狀，為脆性斷裂。而且斷口的微觀形貌中有清晰可見的沿晶裂紋，這與合金的低塑性相對應。

圖7 Ti-5Al-10Cr合金經(jīng)不同溫度時效后的拉伸斷口形貌Fig.7 Tensile fracture morphologies of Ti-5Al-10Cr alloy after aging at different temperatures

3 結 論

(1)隨著時效溫度的升高，Ti-5Al-10Cr合金析出的α相體積分數(shù)先增多后減少，合金的抗拉強度與α相體積分數(shù)有著同樣的變化趨勢。

(2)隨著時效溫度的升高，在600 ℃時會析出TiCr2相，該析出相對合金硬度有一定貢獻，時效溫度繼續(xù)升高，該析出相長大，對硬度貢獻下降。

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Response of Aging-treatment on Ti-5Al-10Cr Titanium Alloy Bar

Li Qian1,Ge Peng2,Zhou Wei1,Zhao Yongqing1

(1.Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi’an 710016,China)( 2.Western Titanium Technologies Co.,Ltd.,Xi’an 710201,China)

The beta Ti-5Al-10Cr alloy after solution treatment was aged at different temperature and time. The microstructure of the titanium alloy after aging treament was observed and the phase composition was analysed. The hardness and tensile properties of the alloy were also tested. The results show that the volume fraction ofα-phase increases to the maximum value at first, and then decreases with increasing of aging temperature. The more amount ofα-phase, the higher tensile strength of the alloy. TiCr2phase will be found after over-time aging at low temperature or at high temperature aging. TiCr2phase could certainly improve the hardness of the alloy. However, TiCr2phase will grow with increasing of aging temperature, which leads to the low hardness of the alloy.

Ti-5Al-10Cr alloy; aging response;precipitated phase

TG146.2+3

A

1009-9964(2016)06-0016-05

2016-09-28

國家自然科學基金資助項目(51471136)；國家國際科技合作專項資助項目(2015DFA51430)

李倩(1981—)，女，高級工程師。