王鑫，劉彬，劉詠，徐圣航，陳智星，王京師

(中南大學(xué) 粉末冶金研究院，長(zhǎng)沙 410083)

Ti5553合金偽調(diào)幅分解的高通量表征及相變動(dòng)力學(xué)分析

王鑫，劉彬，劉詠，徐圣航，陳智星，王京師

(中南大學(xué) 粉末冶金研究院，長(zhǎng)沙 410083)

高通量實(shí)驗(yàn)方法作為現(xiàn)代材料學(xué)研究的一種重要手段，在相圖計(jì)算、金屬材料的成分—結(jié)構(gòu)—性能相關(guān)性等研究方向均扮演越來(lái)越重要的角色。本研究利用一種新型的連續(xù)溫度梯度熱處理方法制備了具有梯度顯微組織的Ti5553合金，并利用SEM和TEM等檢測(cè)手段對(duì)其微觀組織進(jìn)行表征，確定該合金的偽調(diào)幅分解的最佳溫度為(617±2) ℃?；贘MA方程，推導(dǎo)了Ti5553合金在最佳溫度的動(dòng)力學(xué)方程為：f=1-exp(-1.35×t0.91)。

Ti5553合金；高通量方法；連續(xù)溫度梯度熱處理；偽調(diào)幅分解；相變動(dòng)力學(xué)

金屬材料的性質(zhì)往往由其成分及顯微組織決定，而通過(guò)改變熱處理?xiàng)l件能夠得到不同的顯微組織。通常，欲研究熱處理溫度對(duì)材料組織、結(jié)構(gòu)的影響需要制備大批量成分相同的樣品，在保證其余條件相同的情況下通過(guò)改變熱處理溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)研究目的。這種傳統(tǒng)的研究方式雖然簡(jiǎn)單易行，但存在以下缺點(diǎn)：組織演變具有離散性，樣品制備量大，能源損耗嚴(yán)重和檢測(cè)成本上升等。因此，材料研究者們積極通過(guò)集成高通量的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)手段縮短研究周期，加速新材料開(kāi)發(fā)的速度。現(xiàn)有研究表明，高通量制備表征技術(shù)在關(guān)于相圖計(jì)算、成分—結(jié)構(gòu)—性能相關(guān)性的材料研究中均有出色表現(xiàn)[1-5]。但是，鮮有文獻(xiàn)報(bào)道集成熱處理方法在材料顯微組織觀察中的研究應(yīng)用。Ti5553(Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-0.5Fe，質(zhì)量分?jǐn)?shù))作為新型亞穩(wěn)β型鈦合金，因其高強(qiáng)度、高斷裂韌性及優(yōu)異的抗疲勞性能等特點(diǎn)，成為航空航天領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料[6-8]。近年來(lái)，通過(guò)偽調(diào)幅分解機(jī)制細(xì)化 Ti5553合金的微觀組織從而提升力學(xué)性能的研究越來(lái)越得到材料學(xué)者們的重視[9-13]。偽調(diào)幅分解[12]是一個(gè)新相形核長(zhǎng)大的過(guò)程，其晶體結(jié)構(gòu)與母相不同，并且此相變發(fā)生的溫度范圍較窄。NAG等[9-10]研究了 Ti5553在時(shí)效溫度分別為600，650 和700 ℃的相變行為，結(jié)果表明：在50 ℃的溫差范圍存在α沉淀物的形態(tài)、尺寸、體積分?jǐn)?shù)及形核率上的顯著變化。ZHENG等[11]在對(duì)Ti5553進(jìn)行600 ℃下時(shí)效處理的研究中也發(fā)現(xiàn)熱處理?xiàng)l件的細(xì)微變化能得到“超細(xì)α沉淀相”。文獻(xiàn)作者認(rèn)為，這種表現(xiàn)出強(qiáng)烈溫度依賴性的相變行為與 NI等[14-15]提出的偽調(diào)幅分解機(jī)制有關(guān)。傳統(tǒng)的熱處理方法能夠定性確定該相變發(fā)生的溫度區(qū)間，但不能精確確定相變發(fā)生的溫度點(diǎn)。本文利用一種新型的連續(xù)溫度梯度熱處理方法制備具有梯度化顯微組織的Ti5553合金，通過(guò)SEM和 TEM等材料檢測(cè)手段對(duì)其組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，進(jìn)一步確定偽調(diào)幅分解的最佳溫度點(diǎn)。對(duì)該熱處理?xiàng)l件下獲得的“超細(xì)晶組織”進(jìn)行 TEM表征，并對(duì)其β→α相變動(dòng)力學(xué)進(jìn)行探究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)用Ti5553合金的名義成分為T(mén)i-5Al-5V-5Mo-3Cr-0.5Fe(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)，熒光光譜儀測(cè)定合金的實(shí)際成分如表1所列，采用連續(xù)升溫金相法測(cè)得β轉(zhuǎn)變溫度為(855±5) ℃。采用箱式馬弗爐將原始試樣加熱到1 000 ℃，保溫1 h后水冷(WQ)，以保留亞穩(wěn)態(tài)的全β組織。合金的顯微組織如圖1所示，可以觀察到β晶粒呈等軸狀，平均晶粒尺寸約為300 μm。

表1 Ti5553合金化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of Ti5553 alloy (mass fraction, %)

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本實(shí)驗(yàn) Ti5553梯度樣品制備過(guò)程參考發(fā)明專(zhuān)利《一種材料連續(xù)溫度梯度熱處理方法》(專(zhuān)利號(hào)：2014106623260)，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1)將固溶處理后的Ti5553合金加工成直徑8 mm，長(zhǎng)40 mm的棒狀試樣；(2)調(diào)節(jié)電流控制TC1預(yù)設(shè)溫度為590 ℃，通過(guò)溫度傳感器TC1～TC8測(cè)出試樣溫度分布依次為590，600，608，617，630，645，662和680 ℃，加熱過(guò)程采用真空保護(hù)，真空度為5×10-3Pa；(3)待梯度溫度分布穩(wěn)定后，保溫1 h，保溫過(guò)程采用真空保護(hù)，真空度為5×10-3Pa，保溫結(jié)束后對(duì)試樣進(jìn)行水冷至室溫。

圖1 β-固溶態(tài)(1000℃/1h/WQ)Ti5553合金金相照片F(xiàn)ig.1 Optical microscope image of Ti5553 alloy after β solution treatment (1 000 ℃/1 h/WQ)

將Ti5553合金試樣制成標(biāo)準(zhǔn)金相樣品，經(jīng)1.5 mL HF+3 mL HNO3+100 mL H2O腐蝕后，利用Nova Nano SEM 230型掃描電子顯微鏡觀察其梯度化顯微組織演變，并利用Image Tool軟件計(jì)算SEM照片中α相的體積分?jǐn)?shù)。利用 JEM-2100F型透射電子顯微鏡進(jìn)行TEM分析(加速電壓為200 kV)，其中采用MTP-1型雙噴電解減薄儀制備TEM樣品。

2 結(jié)果與討論

2.1 Ti5553梯度熱處理后的顯微組織演變

圖2所示為T(mén)i5553合金在590～680 ℃連續(xù)梯度熱處理保溫1 h的顯微組織。從圖中可以看出，粗大的β晶粒內(nèi)部析出α相，形態(tài)為針狀和短桿狀，呈網(wǎng)籃狀分布，并且α相的尺寸和體積分?jǐn)?shù)隨熱處理溫度升高呈規(guī)律性變化。圖2(a)和(b)分別為T(mén)i5553合金在590和600 ℃熱處理1 h的顯微組織，可以看到β晶粒內(nèi)生成的α相主要為針狀馬氏體相。當(dāng)熱處理溫度達(dá)到617 ℃時(shí)(圖2(d))，Ti5553合金的顯微組織明顯細(xì)化，α析出相形態(tài)為短針狀，均勻彌散于 β相(較亮區(qū)域)基體。經(jīng)過(guò)測(cè)量工具統(tǒng)計(jì)計(jì)算，α相的平均長(zhǎng)度為300～600 nm，寬度小于150 nm，體積分?jǐn)?shù)為66.21%。隨熱處理溫度繼續(xù)升高，α析出相逐漸粗化，體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，當(dāng)溫度為680 ℃時(shí)，α析出相體積分?jǐn)?shù)減少到35.11%(圖2(e)～(h))。通過(guò)對(duì)Ti5553合金時(shí)效過(guò)程中α相的形態(tài)、尺寸和體積分?jǐn)?shù)突變的現(xiàn)象進(jìn)行分析可知，該相變與偽調(diào)幅分解這一相變機(jī)制有關(guān)。因此，通過(guò)本文的熱處理方法可以完整表征Ti5553合金在590～680 ℃下熱處理溫度與偽調(diào)幅分解組織的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)得到Ti5553合金偽調(diào)幅分解形成超細(xì)晶組織的最佳溫度點(diǎn)為(617±2) ℃。

圖2 Ti5553合金梯度熱處理1 h的顯微組織Fig.2 Microstructures of Ti5553 alloy heat treated at different temperatures for 1 h:

圖3所示為樣品于617和630 ℃溫度下熱處理后的顯微組織。圖3(a)和(b)分別為T(mén)i5553合金在617和630 ℃下熱處理1 h的TEM明場(chǎng)像，可以看到長(zhǎng)條針狀的α析出相平均長(zhǎng)度小于1 μm，寬度小于200 nm。圖3(a)中α析出相較細(xì)，平均長(zhǎng)度為0.4 μm，寬度約為100 nm，而圖3(b)中α析出相比(a)有一定粗化，平均長(zhǎng)度為1 μm，寬度為200 nm，這與SEM的觀察結(jié)果一致。圖3(c)和(d)所示為T(mén)i5553合金在617 ℃熱處理1 h后針棒狀相和基體相的電子衍射花樣，經(jīng)過(guò)標(biāo)定可以確定針棒狀相為α相，基體相為β相。

圖3 Ti5553合金梯度熱處理1h的TEM照片F(xiàn)ig.3 TEM images of Ti5553 alloy heat treated at (a) 617 ℃, (b) 630 ℃ for 1 h;

2.2 β→α相變動(dòng)力學(xué)研究

Ti5553合金的中溫?zé)崽幚磉^(guò)程由長(zhǎng)程擴(kuò)散控制，因此其相變動(dòng)力學(xué)過(guò)程可以由 Johnson-Mehl-Avrami (JMA)方程描述[18]：

式中：f為α相變程度指數(shù)；K為特定溫度下的相變速率常數(shù)；t為保溫時(shí)間，h；n為Avrami指數(shù)。公式(1)中，f可以由公式(2)計(jì)算得出：

式中：α相的體積分?jǐn)?shù)可以利用軟件 Image Tool對(duì)SEM照片計(jì)算得到。通過(guò)連續(xù)溫度梯度熱處理方法，可以大大縮短 Ti5553合金在此溫度區(qū)間相變動(dòng)力學(xué)研究的工作量?，F(xiàn)以試樣熱處理溫度617 ℃為例，簡(jiǎn)述Ti5553合金相變動(dòng)力學(xué)研究過(guò)程。圖4(a)表示合金在617 ℃保溫不同時(shí)間(0，0.5，1和4 h)的α相體積分?jǐn)?shù)(本實(shí)驗(yàn)條件下假定α析出在4 h時(shí)達(dá)到平衡值)。通過(guò)公式(2)，α體積分?jǐn)?shù)換算成 f，其結(jié)果如圖 4(b)所示。然后對(duì)公式(1)進(jìn)行對(duì)數(shù)變換得到公式(3)，即與ln(t)的函數(shù)關(guān)系(圖4(c))：

圖4 Ti5553合金在617 ℃下的相變動(dòng)力學(xué)研究Fig.4 Kinetic model of Ti5553 alloy at 617 ℃

式中：曲線斜率代表n，截距為K的自然對(duì)數(shù)。結(jié)合軟件OriginLab計(jì)算得到，Ti5553合金在617 ℃時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程：f=1-exp(-1.35×t0.91)。

3 結(jié)論

1) 采用連續(xù)溫度梯度熱處理的高通量實(shí)驗(yàn)方法快速精確表征了 Ti5553合金的偽調(diào)幅分解的最佳溫度位(617±2) ℃，經(jīng)該溫度熱處理后，α析出相的尺寸最小，其平均長(zhǎng)度為300～600 nm，寬度為150 nm，體積分?jǐn)?shù)為66.21%

2) 基于JMA方程推導(dǎo)了Ti5553合金在熱處理溫度為617 ℃時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程為：f=1-exp(-1.35×t0.91)。

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(編輯 高海燕)

High-throughput characterization on pseudo-spinodal decomposition and phase transition kinetics analysis of Ti5553 alloy

WANG Xin, LIU Bin, LIU Yong, XU Shenghang, CHEN Zhixing, WANG Jingshi
(Powder Metallurgy Research Institute, Central South University, Changsha 410083, China)

As an important tool for mapping the phase diagram and studying the composition-microstructure-property relationship of metallic materials, high-throughput experiments have aroused increasing interest of material researchers in modern materials sciences. In this study, Ti5553 sample with gradient microstructure was prepared by a method of continuous temperature gradient heat treatment, the microstructures were characterized by SEM and TEM. The results indicate that the optimum temperature of pseudo-spiondal decomposition is (617±2) ℃. The isothermal phase transformation kinetic equation of Ti5553 alloy during heat treated at 617 ℃ is: f=1-exp(-1.35×t0.91).

Ti5553 alloy; high-throughput method; continuous temperature gradient heat treatment; pseudo-spinodal decomposition; phase transition kinetics

TG146.2+3

A

1673-0224(2017)01-9-06

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展973計(jì)劃(SQ2013CB061248)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51301203)

2016-01-22；

2016-04-18

劉詠，教授，博士。電話：0731-88830406；E-mail: yonliu@csu.edu.cn