粉末冶金Ti2AlNb環(huán)軋坯料組織與拉伸性能

崔瀟瀟，盧正冠，吳 杰，李一平，徐 磊

(中國科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016)

0 引 言

Ti2AlNb合金是20世紀(jì)90年代開發(fā)出的一種Ti-Al系金屬間化合物，在650～750 ℃具有良好的抗蠕變性能、耐腐蝕性，以及良好的強(qiáng)韌性匹配等特點(diǎn)，且密度較低，是近些年來航空航天結(jié)構(gòu)材料的研究熱點(diǎn)[1-5]。Ti2AlNb合金及其構(gòu)件的制備工藝通常為熱機(jī)械變形，如鍛造、軋制等。其熱變形研究主要集中在熱機(jī)械變形相區(qū)的選擇和后續(xù)熱處理窗口的優(yōu)化。鋼鐵研究總院張建偉[6]和哈爾濱工業(yè)大學(xué)沈軍等人[7-8]開展了鑄造Ti2AlNb合金熱變形工藝和組織演化與材料性能的基礎(chǔ)研究和初步應(yīng)用研究，但國內(nèi)有關(guān)粉末冶金Ti2AlNb合金制備及其變形工藝的研究鮮有報(bào)道。本研究以Ti-22Al-24Nb-0.5Mo(原子分?jǐn)?shù)，下同)預(yù)合金粉末制備的Ti2AlNb合金環(huán)軋坯料為研究對(duì)象，研究熱處理工藝對(duì)環(huán)軋坯料組織與力學(xué)性能的影響，為粉末冶金熱等靜壓制坯+環(huán)軋制備Ti2AlNb合金環(huán)件的應(yīng)用提供工藝參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以無坩堝感應(yīng)熔煉超聲氣體霧化(electrode induction melting gas atomization, EIGA)制備的名義成分為Ti-22Al-24Nb-0.5Mo的潔凈預(yù)合金粉末為原料，采用典型包套熱等靜壓工藝制備Ti2AlNb合金[9-11]。Ti2AlNb合金坯料變形前后的化學(xué)成分如表1所示。從表1可以看出，雜質(zhì)元素含量均保持在較低水平，合金化學(xué)成分均勻，說明本研究制備的粉末冶金Ti2AlNb合金的純凈度高，制備工藝穩(wěn)定性好。

表1 粉末冶金Ti2AlNb合金的化學(xué)成分(w/%)

采用1 030 ℃/140 MPa/3 h典型包套熱等靜壓工藝制備Ti2AlNb合金環(huán)形坯料(φ355 mm×φ200 mm×168 mm)和隨爐試樣[12-16]。坯料在α2+B2兩相區(qū)進(jìn)行單道次包套環(huán)軋，變形量約為30%。環(huán)軋后Ti2AlNb合金坯料成形完好，無裂紋，表面光滑，如圖1所示。

圖1 α2+B2兩相區(qū)軋制的Ti2AlNb合金環(huán)軋坯的照片F(xiàn)ig.1 Photo of Ti2AlNb ring rolled billet rolled at α2+ B2 region

本課題組前期工作表明，通過包套熱等靜壓工藝制備的粉末冶金Ti2AlNb合金晶粒細(xì)小均勻、冶金結(jié)合良好；經(jīng)過典型固溶時(shí)效處理后的室溫、高溫拉伸性能與變形合金具有可比性。Ti2AlNb合金中B2/β相含量-溫度變化曲線斜率較傳統(tǒng)鈦合金以及Ti3Al基合金小，熱處理響應(yīng)敏感，使得Ti2AlNb合金熱處理工藝窗口調(diào)整范圍更加寬泛，客觀上給優(yōu)化熱處理工藝窗口造成了一定困難。經(jīng)過變形后，合金的顯微組織會(huì)發(fā)生明顯變化，如B2相拉長、α2相等軸化、O相板條細(xì)化等，因此，變形后合金的熱處理制度必然與熱等靜壓態(tài)的合金有所區(qū)別。本研究參考Ti2AlNb合金鑄錠變形工藝及粉末冶金Ti2AlNb合金的熱處理工藝條件，制定了3組熱處理制度：980 ℃×2 h+900 ℃×24 h(HT1)；940 ℃×2 h+860 ℃×24 h(HT2)；980 ℃×2 h+860 ℃×24 h(HT3)。

采用Axiovert 200 MAT型金相顯微鏡和Inspect F50型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)不同工藝狀態(tài)的Ti2AlNb合金進(jìn)行了組織分析。采用AG-100kNG型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的室溫拉伸性能，采用MTS E45.105型試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣品在650 ℃下的高溫拉伸性能。環(huán)軋前性能測(cè)試樣品取自隨爐試樣，環(huán)軋后性能測(cè)試樣品取自環(huán)軋坯本體，每組取6支平行試樣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取測(cè)量值的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

表2為Ti2AlNb合金環(huán)軋變形前后的室溫及高溫拉伸性能。從表2可以看出，環(huán)軋變形后Ti2AlNb合金的拉伸強(qiáng)度提高而塑性變差，環(huán)件的室溫強(qiáng)度高于熱等靜壓態(tài)合金；熱處理后，合金強(qiáng)度雖降低至熱等靜壓態(tài)合金的水平，但經(jīng)HT1熱處理后室溫和高溫塑性(伸長率)均有明顯提升。這可能與熱機(jī)械過程能夠愈合孔隙缺陷有關(guān)，使得變形后的粉末合金塑性也獲得提高。經(jīng)過HT2和HT3熱處理后，拉伸性能也呈現(xiàn)出類似的規(guī)律。環(huán)軋變形處理可以拓寬Ti2AlNb合金的熱處理調(diào)控窗口。

表2Ti2AlNb合金的拉伸性能

Table 2 Tensile properties of Ti2AlNb alloy

2.2 顯微組織

圖2為經(jīng)過1 030 ℃/140 MPa/3 h熱等靜壓工藝制備的粉末冶金Ti2AlNb合金的EBSD照片。從圖2可以看出，Ti2AlNb合金組織主要由α2相、O相與B2相組成，晶粒尺寸約為25～35 μm，比鍛造及鑄造Ti2AlNb合金晶粒尺寸小。α2相主要析出于晶界處，O相與B2相呈板條狀交錯(cuò)分布。通過HKL Channel 5軟件分析圖2中各相比例，分別為：α2相 7.3%, O相 65%，B2相27.7%。熱等靜壓態(tài)Ti2AlNb合金組織為非平衡組織，可通過后續(xù)的熱處理獲得較好的綜合力學(xué)性能。合金的晶粒尺寸分布均勻，α2相、O相與B2相也均勻分布，這類晶粒細(xì)小、顯微組織均勻的粉末冶金Ti2AlNb合金通常比鑄造及鍛造Ti2AlNb合金的力學(xué)性能穩(wěn)定。此類細(xì)小均勻的組織也更加適合進(jìn)行熱機(jī)械變形，比如環(huán)軋、鍛造等成形工藝。

圖2 粉末冶金Ti2AlNb合金的EBSD照片F(xiàn)ig.2 EBSD image of PM Ti2AlNb alloy

本課題組前期研究結(jié)果表明，Ti2AlNb合金主要由α2相、O相和B2相組成，合金狀態(tài)和熱處理制度不同時(shí)，各相的形態(tài)和含量不同。圖3為粉末冶金Ti2AlNb合金環(huán)軋變形后的顯微組織。從圖3可以看出，粉末冶金Ti2AlNb合金經(jīng)環(huán)軋后，B2相拉長，α2相等軸化，O相板條細(xì)化，為典型的雙態(tài)組織[16-18]。

圖3 Ti2AlNb合金環(huán)軋變形后的顯微組織Fig.3 Microstructure of Ti2AlNb alloy after ring rolling process

圖4為Ti2AlNb環(huán)軋坯經(jīng)不同制度固溶時(shí)效處理后的顯微組織。從圖4可以看出，熱處理后環(huán)軋坯晶界上α2相顆粒周圍析出粗大的O相板條，等軸α2相減少，B2相基體上析出排列雜亂且均勻細(xì)小的次生O相板條，晶內(nèi)O相較熱處理前變粗，較變形前變短。當(dāng)環(huán)軋坯經(jīng)過HT2處理后，B2相基體上析出的次生O相板條較HT1處理后更為細(xì)小，經(jīng)HT3處理后最為細(xì)小。Ti2AlNb合金中B2相、α2相和O相體積分?jǐn)?shù)及形貌對(duì)合金的性能影響很大。經(jīng)過不同制度的熱處理后，O相的體積分?jǐn)?shù)和形貌發(fā)生了明顯變化，O相板條粗化變短，尺寸大小同合金強(qiáng)度遵從Hall-Petch效應(yīng)。O相的體積分?jǐn)?shù)和尺寸的變化是影響合金高溫塑性的重要因素[19-21]。

圖4 Ti2AlNb合金環(huán)軋坯經(jīng)不同工藝熱處理后的顯微組織Fig.4 Microstructures of ring rolled Ti2AlNb billet after different heat treatments: (a)HT1;(b)HT2; (c)HT3

3 結(jié) 論

(1)環(huán)軋變形后，粉末冶金Ti2AlNb合金拉伸強(qiáng)度提高而塑性降低，環(huán)件室溫強(qiáng)度高于熱等靜壓態(tài)。熱處理后，Ti2AlNb合金強(qiáng)度降低至熱等靜壓態(tài)合金的水平，經(jīng)HT1處理后室溫和高溫塑性均有明顯提升。

(2)粉末冶金Ti2AlNb合金經(jīng)環(huán)軋后，B2相拉長，α2相等軸化，O相板條細(xì)化，為典型的雙態(tài)組織。變形后O相的體積分?jǐn)?shù)和尺寸均發(fā)生了明顯的變化，這是影響Ti2AlNb合金高溫塑性的重要因素。