雜質對新型β型鈦合金顯微組織及其硬度的影響

摘 要：β型鈦合金具有良好的強度、耐腐蝕性和優越的加工性能，尤其高強度和強耐腐蝕性在核電領域有著廣泛應用，本文主要通過金相顯微鏡、掃描電鏡、X-衍射和能譜等工具來分析雜質元素C、O等對β型Ti-Nb-Zr合金的組織和硬度影響。C、O等雜質使得合金在α相轉變成β相的相變溫度提高，擴大α相相區范圍，均勻化熱處理后將析出α相和微量脆性ω相，使合金的硬度提高，塑性降低，加工性能惡化。

關鍵詞：β型鈦合金；雜質元素；金相組織；硬度

1 引言

今年來，隨著我國沿海經濟的發展，濱海電站的建設也在加快，鈦及鈦合金的用量也隨之增加，帶動了我國鈦合金用板的發展。鈦以其優越的耐蝕、抗沖刷、高比強等良好的綜合性能贏得了電力行業青睞。

β型鈦合金組織中主要含有β相，硬度相對較低，硬度優越，但雜質元素對該型合金組織和硬度影響很大，雜質元素含量越高則硬度和強度隨之提高，塑性急劇降低，使得塑性成形困難。鈦合金中的主要非金屬雜質元素有C、O等，少量雜質可固溶于鈦合金中，形成固溶體，過多的則以化合物的形式存在。本文具體分析雜質C、О等非金屬元素對鈦合金的組織和硬度的影響。

2 選材

選擇新型β型Ti-Nb-Zr合金，成分按照Ti28Nb24.5Zr（wt%）進行配比。

3 顯微組織分析

合金按照Ti28Nb24.5Zr（wt%）進行配比，金屬Nb和Zr是具有降低α相向β相轉變溫度，擴大β相區且阻礙晶粒長大的元素。在一定的電流下，經過真空電爐熔煉，基本完全固溶后，將顯微組織放大觀查（圖1），可以清晰地看到合金組織的晶粒比較細小，并獲得片狀β型鈦合金，同時在β相晶界處析出極少量不連續的α相。

在均勻化處理的顯微組織中（圖2），可以看出晶界比鑄態晶界更加清晰，且晶粒內部的枝晶變小，甚至部分已經完全消失。均勻化處后使得組織更加均勻，在均勻化處理時，時間較長，且溫度相對較高，因而，從原來的β相晶界處析出一定的α相，同時產生了極少量β相與α相轉變的中間產物粒狀脆性ω相。在鑄態組織中出現少量很小的黑區在均勻化處理后逐漸長大，這些黑區（化合物）含有大量C和O，在經過均勻化處理時，合金處于高溫狀態，原子運動速度加快，原來分散的雜質將逐漸聚集起來。

3.1 合金中雜質分析

在對鑄態合金通過打磨、清洗后放大的SEM形貌（圖3）中，通過對合金晶體內的黑區進行EDS（能譜）分析，黑區中含有大量的C和O（表1）。在對已均勻化處理并通過打磨、清洗后的SEM（掃描電鏡）形貌（圖4）中，通過對合金晶體內的黑區進行EDS（能譜）分析，黑區中含有大量的C和O（表1），通過對合金晶體內的非黑區進行EDS（能譜）分析，可以看到含有一定量的C和O（表1）。

以上分析可以看出，均勻化處理過程中有利于過多非金屬雜質的聚集，聚集在一起的雜質將急劇降低合金的硬度，同時，C和O等雜質也使得β相向α相轉變溫度的降低，因此，在均勻化處理后，從β相中析出了硬度較高的α相和基本處于脆性的ω相。這些因素綜合在一起，使塑性加工很容易產生裂紋。

3.2 合金相分析

通過對鑄態合金進行XRD圖譜分析（圖5），可以看出鑄態合金顯微組織主要為β相和少量的α相。

通過對均勻化處理后合金進行XRD圖譜分析（圖6），可以看出均勻化處理后合金的顯微組織主要為β相、α相和少量的脆性ω相。其中，α相具有密排六方晶體結構和β相具有體心立方晶體結構，ω相是β相向α相轉變的過渡相，具有脆性的六方晶體結構。

3.3 硬度分析

鑄態和均勻化后合金硬度均較高，且均勻化處理后的硬度更高些。在鑄態熔煉后，組織中析出了少量的α相，而通過均勻化處理后，在析出少量的α相同時也析出微量脆性ω相。另外，C和O固溶度隨著均勻化處理時間延長和溫度提高也隨之增加，C、O等雜質使得合金在α相轉變成β相的相變溫度提高，擴大α相相區范圍，是穩定α相的元素，使得合金中進一步析出少量α相和微量脆性ω相。

另外，雜質C、O等非金屬元素與合金形成的間隙固溶體，使合金的晶格發生很大的畸變，嚴重阻礙了位錯運動，過量C、O等雜質將形成脆性化合物，都會導致合金硬度提高。在壓下率僅為20%的情況下進行冷軋，該鑄態合金出現了脆性裂紋。同比，含雜質量很低的該合金，在總壓下率達到80%情況下進行冷軋，也沒有看到明顯的裂紋。因此，更好第控制C、O等雜質的含量對該合金硬度影響很大。

4 結論

（1）Ti28Nb24.5Zr為β型合金，鑄態和均勻化處理后片狀晶粒組織均很細小；

（2）含雜質的鑄態Ti28Nb24.5Zr鈦合金組織為β相和少量的α相。經過均勻化處理后的組織，析出了α相和少量的ω相；

（3）若β型Ti28Nb24.5Zr合金中含有較多C、O等雜質，使得α相轉變成β相的相變溫度提高，擴大α相相區范圍，析出α相和少量的ω相，過多的C、O等雜質會以脆性化合物的形式存在；

（4）α相、ω相以及脆性化合物都會使β型鈦合金的硬度提高，塑性降低，較多的這些相和脆性化合物存在將導致材料的硬度惡化。

參考文獻：

[1]李中.鈦材在濱海電站的應用[J].鈦工業進展，2003，20（4/5）：101-10.

[2]李明利.我國鈦及鈦合金板材應用現狀分析[J].鈦工業進展，2011，28（06）：14-17.

作者簡介：查樹銀（1973-），男，安徽無為人，工程師，碩士研究生，從事核電設備監造工作。