分享：电热处理对Ti-55511合金黑斑组织演变及 拉伸性能的影响

邵 晖1,单 迪1,张 慧1,张赛飞1,孙 峰2,赵小花2,王凯旋2,孙利星1,邹军涛1 (1.西安理工大学材料科学与工程学院,西安 710048;2.西部超导材料科技股份有限公司,西安 710018) 

摘 要:对固溶态 Ti-55511合金进行905 ℃不同保温时间(10~60s)的电热处理,研究了黑斑 组织演变及合金拉伸性能。结果表明:固溶态合金的黑斑组织β相具有典型 Goss和 Cube织构取 向,随着电热处理时间从10s延长到40s,β晶粒发生再结晶,黑斑组织含量减少;当电热处理60s 时,再结晶晶粒长大至平均尺寸为27.3μm,黑斑组织面积分数减少为2.1%。与固溶态合金相比, 电热处理后合金的抗拉强度下降,断后伸长率提高;随电热处理时间延长,电热处理合金的抗拉强 度基本不变,断后伸长率先增大后降低,在电热处理40s时达到最大值20.8%;不同时间电热处理 后合金的拉伸断口均呈现韧窝和准解理断裂的复合形貌。

 关键词:钛合金;电热处理;织构;拉伸性能 中图分类号:TG166.5 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)09-0040-06

0 引 言

 Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe(Ti-55511)合 金 是 一 种具有高强度、高韧性及高淬透性的亚稳钛合金,也 是目前先进飞机大型锻件的候选材料之一,适合用 于制造飞机机身和起落架等大型承力结构件[1]。在 锻造过程中,该合金局部大尺寸β晶粒内会析出高锻件所需的韧性和 抗疲劳性能要求[4-5]。 已有研究[6]表 明,在 低 于 Ti-55511 合 金 相 变 点温度40 ℃下进行30min传统热处理并空冷后, 其大尺寸β晶粒未发生再结晶,且晶粒内部仍有大 量位错。在保证β晶粒细化的前提下,在高于合金 相变点温度15 ℃下进行30 min传统热处理并空 冷后,β晶粒内的位错诱发α相析出的现象依然比 较明显[3]。这说明通过传统热处理工艺消除合金 中由β晶粒内位错引起的黑斑组织存在难度。与 传统热处理 不 同,电 热 处 理 工 艺 将 直 流 电 直 接 通 入合金进行快速加热,可提高合金再结晶形核率, 抑制晶粒长大,并获得均匀细小的晶粒[7-8]。由电 流诱发的热和非热耦合效应也可激发传统热处理 不可 能 出 现 的 合 金 元 素 快 速 迁 移[9-10]、位 错 重 排[10-11]、相变点降低[12]等现象。SONG 等[13]研究 认为,电致焦耳热效应是 Ti-6Al-4V 合金中α相发 生再结晶的原因,电致焦耳热效应具有独特的“靶 向效应”,低 电 导 率 位 错 缠 结 区 域 的 电 流 密 度 大, 焦耳热效应 会 瞬 时 促 进 位 错 回 复 和 再 结 晶,形 成 小角度晶界。ZHAO 等[10]对 Ti-6Al-4V 钛合金进 行了电热处 理,发 现 组 织 中 α相 小 角 度 晶 界 数 量 增加到31%,抗拉强度和断后伸长率分别增加到 1400 MPa和 13%。此 外,电 流 诱 发 的 电 子 风 力 也会协同促 进 位 错 的 重 排 和 亚 晶 的 形 成,这 些 亚 晶将 进 一 步 演 变 为 小 角 度 晶 界,促 进 再 结 晶 形 核[14]。然而上述电热处理工艺基本聚焦在密排六 方α相再结晶细化的研究中,在体心立方β晶粒再 结晶方面的研究较少。 因此,作者通过 Gleeble3800 型热模拟试验机 对 Ti-55511合金进行不同保温时间的电热处理,观 察了黑斑组织的演变,分析了不同组织对合金拉伸 性能的影响,以期为制备组织均匀的亚稳钛合金提 供理论依据。

 1 试样制备与试验方法

 试验材料 Ti-55511合金锻棒由西部超导材料 科技有限公司提供,该棒材在β相区进行75%变形 量开坯锻造,最终规格为?320mm,其化学成分(质 量 分 数 )为 5.64% Al,5.24% Mo,5.03% V, 1.01%Cr,0.89%Fe,余 Ti。采用金相法测得合金 的相 变 点 为 (885±5)℃。 将 合 金 锻 棒 加 热 到 930 ℃进行 固 溶 处 理,保 温 时 间 为 30 min。采 用 线切割在固溶态合金棒上沿拔长方向切割出尺寸 为10mm×10mm×10mm 的块状试样和尺寸为 ?6mm×17mm 的圆棒状试样,在 Gleeble3800型 热模拟试验 机 上 进 行 905 ℃ 电 热 处 理,升 温 速 率 为200 ℃·s -1,保 温 时 间 为 10,20,40,60s,电 流 密度为115A·cm -2,空冷至室温。 将 块 状 试 样 用 200 # ,400 # ,800 # ,1000 # , 2000 # 砂纸依次打磨,并进行抛光和腐蚀,腐蚀液由 体积比1∶2∶5的 HF、HNO3 和 H2O 组成,腐蚀时间 为5~10s,使用 OLYMPUS型光学显微镜(OM) 观察显微组织,利用JSM-6301F型场发射扫描电子 显微镜(SEM)电子背散射衍射(EBSD)方式进行相 取向分析。在固溶态合金中切取厚度为0.5mm 的 片状试样,用1000 # 砂纸减薄至0.1mm,再进行电 解抛光减薄,双喷腐蚀液由体积比5∶95的高氯酸和 甲醇组成,环境温度为-20~-30 ℃,双喷电压为 25V,采用JEM-3010型透射电子显微镜(TEM)观 察黑 斑 形 貌。 采 用 XRD-7000 型 X 射 线 衍 射 仪 (XRD)分 析 固 溶 态 合 金 的 物 相 组 成,扫 描 速 率 为 8(°)·min -1。按照 GB/T228-2010,将圆棒状试 样加工成标距尺寸为?3mm×15mm 的拉伸试样, 在INSTRON5975型拉伸试验机上进行拉伸试验, 拉伸速度为1 mm·min -1。使用JSM-6301F 型场 发射扫描电子显微镜观察拉伸断口形貌。 

2 试验结果与讨论

 2.1 固溶态合金显微组织

 由图1可 见:固 溶 态 试 验 合 金 内 部 出 现 黑 斑 组织,大尺寸晶粒呈现黑色拉长形貌,晶界曲折而 不规则;合金组织由 α相和β相组成,其中β相的 (110)和(211)晶面衍射峰明显较强,这表 明 在 合 金中存在上 述 晶 面 的 织 构 分 布;黑 斑 区 域 内 有 高 密度针状α相析出,这些析出α相沿特定方向有序 平行排列。FURUHARA 等[15]认为高密度α相的 析出是由位错应变场导致的,而且α相(-1100)面平 行于β相(112)晶面。 由图2可见,合金试样中黑斑区域 G1和 G2晶 粒分别有(110)<001>Goss和(100)<001>Cube典型 织构取向。正常晶粒内仅存在少量亚晶界,而存在 织构的晶粒含有高密度的角度在1°~2°的亚晶界, 并 有较高的晶格畸变能。这是因为在高温变形时两种织构晶粒属于难变形晶粒[5],滑移系开动数量少, 不利于位错交滑移,冷却之前大量位错被保留下来, 形成大尺寸回复态β晶粒,导致在后续冷却过程中 由位错诱发了高密度α相析出。

 2.2 电热处理过程中黑斑组织演变 

图3中1 # ,2 # ,3 # ,4 # ,5 # 虚线分别表示固溶 态以及电热处理不同时间后黑斑轮廓。由图3可 见:随着电热处理时间延长,黑斑组织面积逐渐减 小,其面积分 数 由 固 溶 态 的 23.5% 下 降 到 电 热 处 理60s时的2.1%,β相内部针状 α相陆续消失;β 相在电热处理10s时开始出现再结晶,当电热处 理时间延长到60s时,再结晶晶粒长大,平均尺寸 由10μm 增加到27.3μm。由图4可见,电热处理 10s后,合金黑斑中大尺寸β晶粒形貌完整,当电 热处理时间延长至40s时,黑斑组织内部出现大 量大角度晶 界,编 号 晶 粒 与 残 留 黑 斑 晶 粒 取 向 差 均高于15°,其中编号13,18,19,20的晶粒与黑斑 晶粒取向 差 在 40°~50°。在 电 热 处 理 过 程 中,合 金中大角度晶界向具有高畸变能的黑斑区域发生 竞争迁移,但再结晶晶粒并未出现择优取向。

 2.3 拉伸性能及断口形貌

 由图5可 知:固 溶 态 合 金 的 抗 拉 强 度 和 断 后 伸长 率 为 905 MPa和 5.14%,电 热 处 理 10,20, 40,60s后 合 金 的 抗 拉 强 度 分 别 为 810.3,810.7, 808.0,805.1 MPa。当电热处 理 时 间 延 长 到 40s 时,断后伸长率由固溶态的5.14%提高至20.8%。 这是因为固溶态合金中高密度针状α相的析出导致 局 部β晶粒硬化,降低了合金的塑性,而电热处理可使α相快速转变为β相,且有助于位错重排诱发β 相晶粒发生再结晶,从而显著改善合金的塑性;当 电热 时 间 延 长 到 60s 时,断 后 伸 长 率 降 低 至 19.0%,这是因为合金中β相再结晶晶粒长大,使 得合金易发生颈缩而导致断后伸长率降低。 由图6可见:相比于其他处理时间,当电热处 理时间为60s时,合金断口断面起伏最大,颈缩现 象最明显,这 是 因 为 合 金 中 大 角 度 晶 界 阻 碍 位 错 运动的程度增加,易导致合金颈缩和变形失稳;不 同时间电热处理的合金断口均呈现韧窝和准解理断裂的 复 合 形 貌,但 当 电 热 处 理 时 间 为 10s和 20s时,合金拉伸断口上的韧窝尺寸较小,相应合 金强度较高。

3 结 论

 (1)随着电热处理时间的延长,Ti-55511合金 中黑斑晶粒周围向内部发再结晶长大,导致其含量 逐渐减小,从固溶态的23.5%(面积分数)下降到电 热处理60s时的2.1%。 (2)与固溶态合金相比,电热处理后合金抗拉 强度下降,断后伸长率增大;随电热处理时间延长, 电热处理合金的抗拉强度基本不变,断后伸长率先 增后降,当电热处理时间为40s时,断后伸长率最 大,达到20.8%。 (3)不同时间电热处理的合金断口均呈现韧窝 和准解理断裂的复合形貌,当电热处理时间为10s 和20s时,断口中韧窝的尺寸较小。 

来源：材料与测试网