熱等靜壓工藝參量對ZTC4鈦合金組織的影響規律

楊偉光，趙嘉琪，南 海，吳國清

（1北京航空航天大學 材料科學與工程學院，北京100191；2北京航空材料研究院，北京100095）

熱等靜壓工藝參量對ZTC4鈦合金組織的影響規律

楊偉光1，趙嘉琪2，南 海2，吳國清1

（1北京航空航天大學 材料科學與工程學院，北京100191；2北京航空材料研究院，北京100095）

通過定量金相方法系統研究了熱等靜壓溫度、時間、壓力等工藝參量對ZTC4鈦合金顯微組織的影響規律。結果表明：相對于ZTC4鈦合金原始鑄態組織，經過熱等靜壓處理后試樣的β晶粒尺寸和α片層厚度均明顯長大。隨著熱等靜壓溫度的升高和保溫時間的延長，β晶粒尺寸和α片層厚度分別增長了40～70μm和0.6～1μm，并且增長趨勢呈近線性；而隨著熱等靜壓壓力的增加，β晶粒尺寸和α片層厚度則呈現出先增加后減小的規律。相對原始鑄態組織，熱等靜壓處理后ZTC4鈦合金組織β晶粒尺寸和α片層厚度分別增長12%～25%和57%～100%。

熱等靜壓；鈦合金；顯微組織；定量金相

ZTC4鑄造鈦合金密度低，熱處理工藝簡單，在保持較高強度水平下具有韌性好、疲勞強度高、耐蝕性好以及與復合材料有良好相容性等優良的綜合性能，在航空、航天、航海以及化工等領域得到廣泛應用，更是飛機中大型薄壁復雜非對稱精密鑄件的首選材料之一［1－4］。由于鈦合金鑄件容易產生縮松、氣孔等缺陷，為了消除這些缺陷，通常采用熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，HIP）處理技術，在高溫高壓下，使鑄件內部的氣孔、縮松被壓實閉合，并擴散結合成致密的組織，使鑄件的缺陷得到修復，性能得到改善［5－8］。航空材料手冊中給出的ZTC4鑄造鈦合金熱等靜壓工藝如下：保護氣體為氬氣，加熱溫度（920±10）℃，壓力100～140MPa，保持時間2～2.5h，隨爐冷至300℃以下出爐［7］。該工藝較為寬泛，生產者在應用時難以針對不同鑄件進行微調。事實上，熱等靜壓處理工藝在修復鈦合金鑄件內部缺陷的同時，會不同程度地造成顯微組織粗大化［6］，這在一定程度上抵消了熱等靜壓對鑄件性能的積極影響。然而，有關熱等靜壓工藝參量如熱等靜壓溫度、時間、壓力對ZTC4鈦合金顯微組織影響的定量分析較少。因此，本工作通過定量金相方法探索熱等靜壓工藝參數溫度、時間、壓力對β晶粒尺寸和α片層厚度的影響規律，為精確控制熱等靜壓工藝進一步提高鑄件綜合性能提供理論依據。

1 實驗材料和方法

采用北京航空材料研究院提供的離心鑄造ZTC4鈦合金板為研究材料，鑄板規格為300mm×110mm×6mm，其化學成分達到了《GB15073—1994—T鑄造鈦及鈦合金牌號和化學成分》的要求，具體成分如表1所示。

表1 鑄造ZTC4合金元素含量（質量分數／%）Table 1 Chemical compositions of ZTC4 alloy（mass fraction／%）

采用QIH－16型熱等靜壓設備進行熱等靜壓實驗，在900～940℃，110～140MPa，1～3h范圍內研究了熱等靜壓溫度、時間、壓力3個工藝參數對ZTC4鈦合金組織的影響。設備升溫速率為10℃／min，升壓速率為1MPa／s。ZTC4鑄板按表2規定熱等靜壓后隨爐冷卻至300℃以下出爐，傳壓介質為氬氣。

表2 熱等靜壓實驗方案設計Table 2 Experiment scheme of HIP treatment

采用組分為1mL HF＋3mL HNO3＋96mL H2O的Kroll浸蝕劑對試樣進行處理，在BX51M金相顯微鏡上對熱等靜壓前后試樣進行金相觀察。

采用截距法（圖1（a））測量ZTC4鈦合金組織的β晶粒尺寸。在金相照片上產生5條隨機取向的直線與晶界相截，通過測量截線的平均長度來反映β晶粒的尺寸。ZTC4鈦合金組織α片層厚度的測量方法如圖1（b）所示。在ZTC4高倍金相照片上沿片層的垂直方向畫一條直線，然后測量所有與直線相交的片層間距，求其平均值。

圖1 ZTC4鈦合金組織特征參數測量方法示意圖（a）β晶粒尺寸D；（b）α片層厚度dFig.1 Measurement of microstructural features in ZTC4alloys（a）βgrain sizeD；（b）αlamella thicknessd

2 結果與分析

圖2給出了熱等靜壓前后ZTC4鑄造鈦合金的顯微組織照片。可以看出，經過熱等靜壓后，β晶粒尺寸和α片層厚度均有一定程度的長大。未經熱等靜壓處理的ZTC4鑄造鈦合金的β晶粒尺寸D在954μm左右（圖2（a）），α片層厚度d在1.65μm左右（圖2（c））。而經過熱等靜壓（920℃／125MPa／2h）后，晶粒尺寸和片層間距均有所長大，β晶粒尺寸D達到1183μm左右（圖2（b）），α片層厚度d達到了3.04μm（圖2（d）），晶粒尺寸和片層間距分別長大了24%和84%。根據Hall－Petch公式，D和d的增加會導致材料抗拉強度下降，伸長率降低［9］。熱等靜壓在消除了縮松縮孔的同時，所帶來的組織粗化的“副作用”也不容忽視。因此在選擇熱等靜壓工藝參數時要綜合考慮以盡量消除鑄造縮松和氣孔，同時保證組織不至于過分長大為宜。

ZTC4鈦合金的α＋β→β轉變溫度為975～1005℃，而一般ZTC4鑄件的熱等靜壓處理溫度選擇在900～940℃之間［7］，很接近ZTC4的相變溫度，在這個溫度下對鑄件進行熱等靜壓處理顯微組織很容易長大［9］。圖3給出了熱等靜壓溫度與ZTC4鑄態組織特征參數關系曲線，可以看出，隨著熱等靜壓溫度的升高，晶粒尺寸和片層間距呈近線性增長的趨勢。在研究的溫度范圍內晶粒尺寸的變化幅度在70μm左右，片層間距的變化范圍在1μm左右。相對未進行熱等靜壓的試樣，晶粒尺寸和片層間距分別長大了25%和100%。

圖2 ZTC4鑄態組織和熱等靜壓后組織金相照片（a）熱等靜壓前晶粒組織；（b）熱等靜壓（920℃／125MPa／2h）后晶粒組織；（c）熱等靜壓前片層組織；（d）熱等靜壓（920℃／125MPa／2h）后片層組織Fig.2 Microstructure of as－cast and after HIP treatment（920℃／125MPa／2h）ZTC4alloys（a）as castβgrains；（b）βgrains after HIP treatment；（c）as castαlamella；（d）αlamella after HIP treatment

圖3 熱等靜壓溫度對ZTC4鈦合金鑄態組織參數的影響Fig.3 Effects of HIP temperature on the microstructure of ZTC4alloy

圖4為熱等靜壓時間與ZTC4鑄態組織特征參數的關系曲線。與熱等靜壓溫度對組織的影響規律相似，隨著熱等靜壓時間的延長，β晶粒尺寸和α片層厚度也呈現出近線性的增長趨勢。通過圖3和圖4對比可以發現，溫度的變化對于組織的影響要比時間對組織的影響更強烈，40℃的實驗溫度范圍內β晶粒尺寸D變化范圍為70μm左右，而2h的保溫時間范圍內β晶粒尺寸D變化了40μm左右。

圖4 熱等靜壓時間對ZTC4鈦合金鑄態組織參數的影響Fig.4 Effects of HIP holding time on the microstructure of ZTC4alloy

然而，與溫度和時間對β晶粒尺寸和α片層厚度的影響規律不同，隨著熱等靜壓壓力的升高，β晶粒尺寸和α片層厚度均呈現出先增加后減小的現象，如圖5所示。溫度和時間能夠促進組織的長大，而壓力會抑制組織生長［10］。在壓力不大于125MPa時，組織在溫度、時間以及壓力三個影響因素下，保持較快的生長速率，但是當壓力超過了125MPa后，壓力的抑制作用增強，組織的生長變得緩慢，因此經過140MPa熱等靜壓后的組織要小于125MPa熱等靜壓的組織。雖然140MPa下的組織生長較為緩慢，但是相對于未進行熱等靜壓的ZTC4鑄板來說，組織還是粗化了，β晶粒尺寸D和α片層厚度d分別長大了12%和57%。

圖5 熱等靜壓壓力對ZTC4鈦合金鑄態組織參數的影響Fig.5 Effects of HIP pressure on the microstructure of ZTC4alloy

3 結論

（1）經過熱等靜壓后，ZTC4鑄板的β晶粒尺寸和α片層厚度明顯長大，增長幅度分別為12%～25%和57%～100%。

（2）β晶粒尺寸和α片層厚度隨著熱等靜壓溫度的提高和時間的延長呈近線性的增長趨勢；而隨著熱等靜壓壓力的提高，β晶粒尺寸和α片層厚度呈現出先增加后減小的規律。

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Effects of HIP Treatment Parameters on Microstructure of ZTC4Casting Titanium Alloy

YANG Wei－guang1，ZHAO Jia－qi2，NAN Hai2，WU Guo－qing1
（1School of Materials Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China；2Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China）

Quantitative metallography technique was used to investigate the effects of hot isostatic pressing（HIP）treatment parameters on microstructure of ZTC4casting titanium alloy.The results show that theβgrain size andαlamella thickness of ZTC4increase obviously after HIP treatment relative to as－cast microstructure of ZTC4alloy.With the increase of temperature and holding time of HIP treatment，βgrain size andαlamella thickness increase in a near linear manner with a range of 40－70μm and 0.6－1μm respectively.However，with the increase of pressure of HIP treatment，the change ofβgrain size andαlamella thickness occurs from increase to decrease.Compared with as－cast microstructure，the growth rates ofβgrain size andαlamella thickness of ZTC4titanium alloys after HIP treatment are 12%－25%and 57%－100%respectively.

hot isostatic pressing；titanium alloy；microstructure；quantitative metallography

TG146.2＋3

A

1001－4381（2011）09－0025－04

北京市科技新星計劃（2007B016）；教育部長江學者和創新團隊發展計劃（IRT0805）

2010－09－01；

2011－03－15

楊偉光（1985—），男，碩士研究生，現從事鈦合金組織與性能研究工作，聯系地址：北京航空航天大學材料科學與工程學院（100191），E－mail：yangweiguang＿234＠163.com

吳國清，男，副教授，聯系地址：北京市海淀區學院路37號北京航空航天大學材料科學與工程學院（100191），E－mail：guoqingwu＠buaa.edu.cn