熱處理對鑄造Ti2AlNb合金組織和力學性能的影響

駱 晨 張 寅 王新英 梁曉波 張建偉

熱處理對鑄造Ti2AlNb合金組織和力學性能的影響

駱 晨1，2張 寅3王新英1，2梁曉波1，2張建偉1，2

（1. 北京鋼研高納科技股份有限公司，北京 100081；2. 鋼鐵研究總院高溫合金新材料北京市重點實驗室，北京 100081；3. 首都航天機械有限公司，北京 100076）

研究了不同熱處理制度對鑄造Ti-22Al-25Nb(at%)合金組織和力學性能的影響，結果表明：合金經熱等靜壓后的微觀組織由初生粗板條狀O相和B2相基體組成，其室溫抗拉強度達到1006MPa，塑性約為1.0%。經980℃固溶處理，鑄造組織中的O相板條寬度有所增加，其拉伸強度下降接近900MPa，塑性提高到3%。鑄件在1080℃固溶處理+850℃時效處理后，組織中的初生粗板條發生溶解，在B2相基體中析出細的O相板條，該種組織的室溫拉伸強度超過1000MPa，但其塑性明顯下降，不足1%，當時效溫度提高至900℃，二次O相板條粗化，組織強度下降約100MPa，塑性沒有明顯改善。

鑄造Ti2AlNb合金；熱處理；拉伸性能

1 引言

Ti2AlNb基金屬間化合物具有低密度、高比強度、良好的蠕變抗力和斷裂韌性等性能特點，是以航天航空發動機為主要應用目標的新型輕質高溫結構材料。研制的Ti-22Al-25Nb(at%)合金，既保持了密度低，高溫強度、蠕變抗力高等性能特點，又展示出好于同類合金的塑性、韌性及加工成型性能。目前該成分合金制作的盤件、環件、板材已進入工程化應用階段[1]。然而Ti2AlNb合金主要成型手段為鍛造成型，存在加工難度大、成本較高及生產周期長等問題。

采用鑄造成型可生產形狀復雜、尺寸精確的高溫合金部件，并大量節省機床加工工時，節約金屬原材料，因此發展鑄造Ti2AlNb合金能提高材料利用率、降低成本、縮短部件研制周期，是實現結構復雜構件的有效途徑。

Ti2AlNb合金性能對組織敏感，如何實現材料組織與性能的精確控制成為研究的難點[2,3]。擬以成分Ti-22Al-25Nb(at%)合金為實驗材料，探索鑄造Ti2AlNb合金組織在不同熱處理制度下的轉變規律及其對力學性能的影響，為該類合金鑄件的開發和應用提供一定的依據。

2 實驗

按照Ti-22Al-25Nb(at%)合金（簡稱TAC-3A）的名義成分配料，采用真空感應懸浮爐熔煉，澆入陶瓷型殼成100mm×70mm×10mm板片，經1160℃/140MPa/2h熱等靜壓處理后進行不同制度的熱處理，熱處理制度見表1。用線切割方法切取金相試樣及拉伸試樣。拉伸試樣機加工標距為5mm×25mm的標準拉伸試棒。金相試樣機械拋光后用2%HF+10%HNO3+88%H2O(Vol.%)溶液侵蝕，JSM-6480-LV掃描電鏡（SEM）下觀察材料微觀組織。

表1 試驗材料的熱處理制度

3 結果和討論

3.1 組織轉變

圖1 熱等靜壓組織SEM像

由本實驗條件獲得的鑄造TAC-3A合金宏觀組織為等軸晶組織，晶粒尺寸在800～1500μm之間。微觀組織由板條O相以及B2相基體組成，未發現明顯的α2相顆粒的存在。如圖1所示，晶界平滑，晶內O相板條密集、雜亂，與晶內相比，晶界處的板條較粗大。

TAC-3A合金經過980℃保溫2h空冷，即α2+B2+O三相區固溶處理，晶粒尺寸基本沒有變化，微觀組織如圖2所示，晶界依然保持平直，然而晶內板條明顯粗化。

圖2 TAC-3A合金980℃/2h FC 熱處理組織SEM像

TAC-3A合金經過1080℃/2h固溶處理，和O+B2兩相區850℃、900℃時效處理，對應微觀組織見圖3、圖4。兩種組織的晶界依然保持平直，初生O相板條變粗、變短，甚至消失，初生O相板條體積分數明顯減少。而在B2相基體出現極細的O相二次板條，與850℃時效組織相比，900℃時效組織B2基體中析出的O相二次板條較粗大。

圖3 1080℃/2h/AC+850℃/12h/A

圖4 1080℃/2h/AC+900℃/12h/AC

研究表明，初生O相板條的粗化是在固溶過程中形成的。而B2基體中極細的二次O相板條是在時效過程中析出的[4]。時效的溫度決定了二次析出的O相板條的尺寸和體積分數，隨著時效溫度升高，二次O相板條體積分數減少，而初生板條O相隨時效溫度改變化不大[5]。與鑄造Ti2AlNb組織在固溶處理+不同時效的轉變規律相吻合。

3.2 力學性能

測試上述4種組織拉伸性能，結果見表2。鑄造后的熱等靜壓組織的抗拉強度最高可達1006MPa，屈服強度均在860MPa以上，與該類合金變形組織拉伸強度接近[1]，塑性僅為1%。鑄造組織與變形組織的主要差異為B2相晶粒的尺寸。由于B2相晶粒內部存在大量的板條，使得鑄造組織仍具有較高的拉伸強度。而B2相晶粒粗大，晶界強度較差，拉伸時晶內組織與晶界不能協調變形，裂紋首先在晶界處形核擴展，造成合金以沿晶斷裂的方式過早斷裂[6]導致鑄造Ti2AlNb組織室溫塑性較差。

表2 不同組織的拉伸性能

經過980℃固溶處理的組織拉伸強度雖有下降，但室溫塑性明顯提高。Ti2AlNb合金的強度與組織中的板條尺寸關系遵從界面強化效應（即Hall-Petch效應）[7]，說明980℃固溶處理后的板條粗化，直接導致強度下降，與此同時，晶粒內部組織強度的弱化，有利于合金在斷裂前有較大的變形，因而獲得較高的塑性。

1080℃固溶+850℃時效獲得的組織抗拉強度超過1070MPa，但塑性不足1%。可見該組織中二次O相細板條的析出強化作用大于初始O相板條溶解弱化作用；另外，二次O相板條的析出擴大了晶內組織與晶界強度的差距，使得該組織塑性更差。當時效溫度提高到900℃，由于二次O相板條的粗化，該組織抗拉強度低于850℃時效組織抗拉強度，塑性有所提高。

綜上所述，保證鑄造Ti2AlNb合金抗拉強度前提下，提高其室溫塑性是其工程化應用的首要條件。影響Ti2AlNb合金力學性能的因素主要有[8]：a.B2相晶粒尺寸；b.熱處理過程中相的強度；c.B2相、O相和α2相的體積分數；d.O相板條尺寸；e.位錯結構。通過對TAC-3A鑄造組織α2+B2+O相區較低溫度固溶處理，及較高溫度固溶處理結合O+B2兩相區時效處理，發現了O相板條在不同相區熱處理后的變化規律和對應的拉伸性能水平。但本實驗中的熱處理制度對B2相晶界影響較小，如何能通過熱處理改善晶界強度，有待進一步研究。另外，熱處理對鑄造初始組織晶粒尺寸作用有限，因此在鑄造過程中細化晶粒可能是改善鑄造組織塑性的有效途徑。

4 結束語

a. 鑄造Ti-22Al-25Nb(at%)合金宏觀組織為等軸晶組織，晶粒尺寸800～1500μm，微觀組織由B2相基體和O相板條組成。其抗拉強度可到達1000MPa，但塑性僅為1%。

b. 980℃固溶處理后，鑄造Ti2AlNb組織中O相板條發生粗化。其抗拉強度仍保持900MPa以上，但塑性提高到3%。

c. 1080℃固溶處理850℃時效獲得的Ti2AlNb組織，O相板條發生溶解，B2相基體析出二次O相細板條。其抗拉強度超過1070MPa，但塑性不到1%。隨著時效溫度增加到900℃，B2相基體的二次板條粗化，抗拉強度下降。

1 張建偉，李世瓊，梁曉波. Ti3Al和Ti2AlNb基合金的研究與應用[J]. 中國有色金屬學報，2010，20(1)：336

2 沈軍，馮艾寒. Ti2AlNb基合金微觀組織調制及熱成形研究進展[J]. 金屬學報，2013，49(11)：1286

3 Boehlert C J. The tensile behavior of Ti-Al-Nb O+Bccorthorhombic alloys[J]. Metallurgical and Materials Transcations A 2001，32：1977

4 梁曉波，程云君，張建偉. 熱處理對鍛造Ti2AlNb合金組織合性能的影響[J]. 中國有色金屬學報，2010，20(1)：611

5 王偉，曾衛東，梁曉波. 熱處理對Ti2AlNb合金顯微組織及力學性能的影響[J]. 鈦工業進展，2015，32(1)：16

6 Gogia A K, Nandy T K, Muraleedharan K, et al. The effect of heat treatment and niobium content on the room temperature tensile properties and microstructure of Ti3Al alloys[J]. Materials Science and Engineering: A, 1992，159：7

7 Ward C H. Microstructure evolution and its effect on tensile and fracture behavior of Ti-Al-Nb α inermetallics[J]. International Materials Reviews 1993，38(2)：79

8 Cowen C J, Boehlert C J. Microstucture, creep, and tensile behavior of a Ti-21Al-29Nb(at%) orthorhombic +B2 alloy[J]. Intermetallics. 2006，14(4)： 412

Effect of Heat Treatment on Microstructure and Properties of Cast Ti-22Al-25Nb Alloy

Luo Chen1，2Zhang Yin3Wang Xinying1，2Liang Xiaobo1，2Zhang Jianwei1，2

(1. Gaona Areo Materials, Beijing 100081；2. Beijing Key Laboratory of Advanced High Temperature Materials, Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081；3. Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

Microstructure evolution of the cast Ti-22Al-25Nb (at%) alloy during different heat treatments was investigated, while the tensile properties of the alloy with different heat treatments were tested. It is found that the cast alloy microstructure after hot isostatic pressing is composed of O phase laths and B2matrix, which of the room tensile strength come to 1006MPa, the room ductility is about 1%. During 980℃ solution treatment, the width of O phase laths increases, and the tensile strength decreases to 900MPa, the ductility increases to 3%. After 1080℃ solution plus 850℃ aging treatment, the original O phase laths in the microstructure solves and the fine O phase lamellae precipitates from B2matrix, the tensile strength of the microstructure is above 1000MPa, but the ductility decreases obviously, which is less than 1%. When the aging temperature raises 900℃, the second O phase lamellae croses, and the tensile strength decreases about 100MPa, the ductility increases a little.

cast Ti2AlNb alloy；heat treatment；tensile properties

駱晨（1987），碩士，材料學專業；研究方向：鈦鋁金屬間化合物鑄造及熱處理方向。

2020-03-26