鈦合金深冷及冷-熱循環(huán)處理研究*

陳振華，謝配孺，姜 勇，陳 鼎

(1.湖南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410082；2．上海航天精密機械研究所，上海 201600)

與其它傳統(tǒng)金屬合金相比，鈦合金因密度小、比強度高、耐高溫、耐蝕、無磁、可焊等優(yōu)異的綜合性能在航空領(lǐng)域得到廣泛應用，如發(fā)動機的葉片、機匣、機身的框梁等[1].同時，我國鈦資源豐富，加強我國鈦合金材料的研究和應用推廣對促進我國航空工業(yè)的快速發(fā)展具有非常重要的意義[2].

鈦合金具有兩大優(yōu)異的特性：即比強度高和抗蝕性優(yōu)異，這也是航空航天工業(yè)、化學工業(yè)等優(yōu)先選用鈦合金的原因[3].然而衛(wèi)星用鈦合金的空間環(huán)境非常復雜，對材料的尺寸穩(wěn)定性及組織性能有著非常高的要求.

深冷處理又稱超低溫處理，是指以液氮為冷卻介質(zhì)，將材料置于特定的、可控的低溫環(huán)境中使材料的微觀組織發(fā)生變化，從而改善材料性能的一種工藝方法[4].而冷-熱循環(huán)處理即將試樣在高溫(400 K)下保溫一段時間，再在低溫下(約80 K)保溫一段時間的處理方法[5].

鈦合金因其所具有的獨特優(yōu)點在我國衛(wèi)星用材料中具有不可或缺的作用，已越來越受到人們的重視，改善鈦合金的使用性能的研究也越來越廣泛和深入.深冷處理及冷-熱循環(huán)處理作為改善材料的組織與性能的處理工藝在傳統(tǒng)鋼鐵材料中已得到廣泛的應用，同時在銅、鋁等有色金屬中也有相關(guān)的報道和研究[6-7].同時也證實了深冷處理可以提高制件的硬度、耐磨性和使用壽命等[8-9].但是有關(guān)鈦合金的冷-熱循環(huán)及深冷處理的研究，國內(nèi)外所公開報道的文章還甚少.

本文首次通過用深冷處理及冷-熱循環(huán)處理來模擬空間特殊環(huán)境對鈦合金組織及性能的影響，并對有關(guān)機理進行了探討；這對鈦合金在空間特殊環(huán)境的使用具有重大的意義.

1 實驗材料與方法

實驗用材料購自東莞市鴻鈦鈦合金金屬有限公司生產(chǎn)的軋制態(tài)純鈦、TA7，TC4和TC10鈦合金，其化學成分如表1所示.本文通過模擬空間特殊環(huán)境，來研究深冷處理和冷-熱循環(huán)處理對純鈦、鈦合金的微觀組織及性能的影響.根據(jù)文獻所給的信息：鈦及鈦合金材質(zhì)的航天裝備在空間特殊環(huán)境下使用時，其向陽面的溫度大概在400 K左右，所以冷-熱循環(huán)熱處理中的熱處理設定溫度為400 K；而在背陽面時溫度低至液氮溫度，根據(jù)文獻資料和前期研究基礎，將深冷處理溫度定為液氮溫度(約80 K).本文采用的深冷處理方法為急冷-急熱法，即將試樣從室溫直接浸入液氮中保溫一段時間后取出，在空氣中自然回復到室溫.而冷熱循環(huán)處理方法即將試樣直接浸入液氮中保溫12 h后取出，在空氣中回復到室溫，緊接著將試樣置于溫度為400 K的熱處理箱中保溫12 h后取出再浸入液氮中，依次循環(huán).兩種工藝路徑的處理時間為1～60 d，期間取10個時間點取樣，分別為1 d，3 d，5 d，7 d，11 d，18 d，30 d，40 d，50 d，60 d(d代表Day)，然后進行組織和性能的對比分析.為了消除試樣內(nèi)應力和組織性能的均勻化，在實驗前對試樣進行了去應力退火處理工藝，具體參數(shù)見表2.并采用401 MVA型維氏顯微硬度儀、Y-500型X-ray衍射儀、金相儀、掃描電鏡對深冷處理及冷-熱循環(huán)處理前后試樣的力學性能和顯微組織進行檢測并分析.

表1 鈦合金成分

表2 鈦合金退火工藝

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微硬度

對未處理和深冷及冷-熱循環(huán)處理1 d,3 d,5 d,7 d,11 d,18 d,30 d,40 d,50 d,60 d的4種鈦合金試樣分別進行顯微硬度測量(HV0.2)，多次測量取平均值(10～15個點).表3 給出了TA7，純鈦，TC10和TC4鈦合金經(jīng)長時間深冷處理及冷-熱循環(huán)處理前后的顯微硬度最大增長百分比.實驗結(jié)果表明：深冷處理及冷-熱循環(huán)處理可以提高某些鈦合金的顯微硬度，如純鈦、TA7；而對α+β系鈦合金的顯微硬度影響不明顯，如TC4，TC10.但不是深冷及冷-熱循環(huán)時間越長越好，而是存在一個最佳的深冷及冷熱循環(huán)時間.對純鈦，其最佳冷-熱循環(huán)時間為3 d，硬度從18.92上升到21.14，提高了11.7%；對TA7，其最佳深冷時間為11 d，顯微硬度從24.59增加到26.67，提高了8.45%.而TC4和TC10的硬度值最大變化不超過5%，可以認為在實驗誤差范圍之內(nèi)而忽略不計.

表3 鈦合金顯微硬度最佳深冷及冷熱循環(huán)時間

2.2 微觀組織

為了探討深冷處理及冷-熱循環(huán)處理對鈦合金顯微硬度的作用機理，對顯微硬度變化較為明顯的試樣和未經(jīng)處理的試樣進行顯微組織觀察，并進行比較與分析.圖1(a，b)為純鈦經(jīng)冷-熱循環(huán)處理前后的顯微組織，其中(a)為原始樣的金相組織，(b)為冷-熱循環(huán)處理3 d的金相組織，在冷-熱循環(huán)處理之前所有試樣均經(jīng)過退火處理，晶粒內(nèi)部有少許孿晶，并殘留了部分殘余應力(如圖1(a)所示)，而經(jīng)冷-熱循環(huán)處理3 d后，孿晶數(shù)量明顯增多(如圖1(b)所示).同時，每一次冷-熱循環(huán)都會產(chǎn)生變形而使試樣原有的殘余應力降低.Gu等[10-12]發(fā)現(xiàn)當溫度降到液氮溫度(約80K)時，純鈦及一些鈦合金在低溫下塑性變形后的微觀組織中發(fā)現(xiàn)大量孿晶.由此可知，孿晶數(shù)量的增多是試樣在液氮環(huán)境下的微觀變形導致的.

(a) 純鈦未處理350×

(b) 純鈦冷-熱循環(huán)3 d 350×

圖2為TA7鈦合金經(jīng)深冷處理前后的金相組織，其中(a)為原始樣組織，(b)為深冷處理11 d的金相組織.從圖2(a，b)可以看出，TA7在處理之前晶粒大小很不均勻，還存在部分未完成再結(jié)晶晶粒，殘留了部分的加工殘余應力，表現(xiàn)為變形的α組織，而經(jīng)深冷處理11 d后試樣局部出現(xiàn)了許多細小的亞晶，局部晶粒明顯均勻化并細化了，表現(xiàn)為等軸α組織及少量晶間β(暗).晶粒越小，同樣大小的一塊材料中，晶界就越多，對位錯運動的阻礙就越大，材料形變的阻力就越大，宏觀上就是硬度越高.陳等人[13]的實驗結(jié)果表明，熱處理能夠改變鈦鋁合金的組織和性能，合適的熱處理能夠細化晶粒，并使其組織變得均勻.

(a) TA7未處理350×

(b) TA7深冷處理11 d 350×

2.3 SEM分析

為了探討冷-熱循環(huán)處理對純鈦顯微硬度提高的作用機理，選擇顯微硬度變化較為明顯的冷-熱循環(huán)處理3 d的試樣和未經(jīng)過處理的試樣進行掃描電鏡分析.圖3給出了純鈦經(jīng)冷-熱循環(huán)處理3 d前后試樣的掃描電鏡和能譜照片.圖3(a)為純鈦原始樣的形貌，晶界與孿晶上均勻分布著白色條狀物,如黑色圓圈位置所示；圖3(b)為純鈦冷-熱循環(huán)處理3 d后的形貌，同樣，晶界與孿晶上彌散分布著白色顆粒，經(jīng)過能譜分析，晶界及孿晶上的白色物質(zhì)為TiN，而且經(jīng)冷-熱循環(huán)處理后的試樣N的含量明顯增多.由此可知，純鈦經(jīng)冷-熱循環(huán)處理之后，N在孿晶和晶界處發(fā)生了聚集現(xiàn)象；同時TiN的形貌也發(fā)生了明顯變化，由原來的條狀轉(zhuǎn)變成了顆粒狀.這可能是導致純鈦顯微硬度提高的又一原因.

(a) 純鈦原始樣SEM

(b) 純鈦冷熱循環(huán)3 d SEM

2.4 晶粒偏轉(zhuǎn)

由文獻知X射線粉末衍射法可測定晶粒尺寸和微觀應變[14-15]．從圖4可以看出，深冷及冷-熱循環(huán)處理并沒有改變鈦合金衍射峰的晶面取向，純鈦經(jīng)冷-熱循環(huán)處理3 d前后的衍射最高峰為(101)晶面；TA7經(jīng)深冷處理11 d前后其衍射最高峰為(002)晶面，但是TA7經(jīng)過深冷處理11 d及純鈦經(jīng)冷-熱循環(huán)3 d的試樣較未經(jīng)過處理的試樣的衍射最高峰峰值卻發(fā)生了明顯的變化．特別是純鈦的(101)和TA7的(002)晶面，在深冷處理和冷-熱循環(huán)處理后都得到了大幅增強．這說明純鈦及TA7在經(jīng)過深冷及冷-熱循環(huán)處理后，有晶粒向著(101)，(002)基面偏轉(zhuǎn)，導致(101)，(002)基面的峰強增強，而這種增強對位錯的運動有阻礙的作用，從而對材料的顯微硬度產(chǎn)生影響．陳鼎[16-17]等人在鎂合金中也發(fā)現(xiàn)了深冷處理可以導致晶粒偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，所以晶粒發(fā)生偏轉(zhuǎn)可能是有色合金深冷處理過程中的一種普遍現(xiàn)象.

2θ/(°)

3 結(jié) 論

本文對軋制態(tài)純鈦、TA7，TC10和TC4鈦合金的深冷及冷-熱循環(huán)處理進行了研究和討論，結(jié)論如下：

1)合適的冷-熱循環(huán)處理時間可以提高純鈦的顯微硬度值.其最佳冷-熱循環(huán)處理時間為3 d，試樣顯微硬度值提高11.7%，其顯微硬度的升高是孿晶數(shù)量的增多、晶界及孿晶位置氮化物形貌及N含量增多等綜合作用的結(jié)果.

2)選擇合適的深冷處理時間可以提高TA7的硬度值.其最佳深冷時間為11 d，顯微硬度從24.59提高到26.67，漲幅8.45%.其顯微硬度提高的作用機理主要表現(xiàn)在深冷處理后晶粒的長大、殘余應力的消除及晶粒轉(zhuǎn)向的偏轉(zhuǎn).

3)鈦合金在深冷處理過程中會有形成亞晶結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，從而使晶粒細化，形成細晶強化，提高鈦合金材料的顯微硬度.

4)鈦合金TA7經(jīng)深冷處理11 d后有些晶粒發(fā)生了向(002)晶面取向的偏轉(zhuǎn)；純鈦經(jīng)冷熱循環(huán)處理3 d后某些晶粒發(fā)生了向(101)晶面取向的偏轉(zhuǎn).

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