（材料物理与化学专业论文）ti6al4mememocr合金显微组织的研究.pdf

硕十学位论文 摘要 本文采用金相显微镜 扫描电子显微镜 透射电子显微镜等技术研究了 t i 6 a 1 4 m e m e m o c r 合金经固溶和时效处理后的显微结构 力学性能和变形 行为 揭示了它们与热处理工艺的关系 结果表明 t i 一6 a i 4 m o 和t i 6 a i 4 c r 合金经过双相区固溶处理后可获得 均匀的a p 双相组织 但前者的组织比后者的组织细小 且b 相的比例较小 两种合金经过单相区固溶及时效处理后 组织为a 相和少量的b 相 且构成了 典型的魏氏体组织 t i 6 a i 4 m o 合金在本实验所采用的所有热处理工艺条件 下均未发现有析出相 而t i 6 a 1 4 c r 在较低温度 6 0 0 时效时有l a v e s 相 a t i c r 2 析出 尽管在更高温度 7 0 0 c 8 0 0 c 时效的样品中未发现此相 值 得注意的是 在所有热处理工艺条件下的t i 6 a 1 4 c r 合金样品中都观察到了 c r 的固溶体 它们从0 相中析出 呈条状 其形成过程由c r 在t i 基体中的固 溶度和扩散条件所控制 在相同的热处理工艺条件下 t i 6 a 1 4 m o 和t i 6 a 1 4 c r 合金经拉伸变形 后形成的变形组织相似 即固溶处理样品的晶粒内部均含有大量位错 且部分 位错形成阵列 晶界附近存在孪晶 而在时效样品中 g t 相中同时存在位错 孪晶 且有的孪晶穿越相界面进入d 相中 另外 在相同的热处理工艺条件下 两种合金的硬度值随热处理条件的不同有相似的变化趋势 时效处理可以明显 提高固溶处理样品的硬度 但提高时效温度会降低时效处理的硬度 由于合金 元素的强化效果不同 t i 一6 a 1 4 c r 合金的硬度值要比t i 6 a i 4 m o 合金的高 关键词 t i 6 a 1 4 m o 合金 t i 一6 a 1 4 c r 合金 固溶时效 显微组织 析出相 t i 6 a i 4 m e m e m o c r 合金显微组织的研究 a b s t r a c t t h eo p t i c a lm i c r o s c o p y s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p yh a v eb e e nu s e di no r d e rt or e v e a lt h ee f f e c t so fs o l u t i o na n da g i n g t r e a t m e n t so nt h em i c r o s t r u c t u r e d e f o r m a t i o nb e h a v i o r so ft h et i 一6 a 1 4 m e m e m o c r a l l o y s i ti so b s e r v e dt h a tt h e r ea r eh o m o g e n e o u s l yd i s t r i b u t e dd u p l e xm a t r i x s t r u c t u r ec o n t a i n i n gaa n dbp h a s e si nb o t ht i 6 a i 一4 m oa n dt i 一6 a 1 4 c ra l l o y s a f t e r a p s o l u t i o nt r e a t m e n t w h i l et h e s t r u c t u r ei sf i n e ra n dp p h a s ei n t i 一6 a 1 4 m oa l l o yi sl e s st h a nt h o s ei nt h eo t h e ro n e h o w e v e r m a i n l yap h a s ea n d as m a l lp a r to fpp h a s ec o m p o s et h e t y p i c a lw i d m a n s t a t t e ns t r u c t u r ew h i c h d o m i n a t e st h em i c r o s t r u c t u r eo fe i t h e ro ft h ea l l o ya f t e r a p s o l u t i o nt r e a t m e n t a n da p p l i e da g i n gt r e a t m e n t s b e s i d e s n op r e c i p i t a t e sc o u l d b ed e t e c t e di nt h e t i 一6 a 1 4 m oa l l o ya f t e ra l lh e a tt r e a t m e n t sp r o c e s s w h i l et h el a v e sp h a s e a t i c r 2 i sd e t e c t e di nt h et i 一6 a 1 4 c ra l l o yi fi ti s a g i n ga tl o wt e m p e r a t u r e 6 0 0 c a l t h o u g h i t d i s a p p e a r s a t h i g h e ra g i n gt e m p e r a t u r e 7 0 0 c 8 0 00 c i t w a s i n t e r e s t i n gt on o t et h a tas o l i ds o l u t i o no fc re x i s t e di nt i 6 a i 4 c ra l l o yu n d e ra l l c o n d i t i o n s t h ec rs o l i ds o l u t i o na p p e a r e da sl a m i n aa n di sc o n s i d e r e dt of o r m f r o map h a s e w h i c hi sc o n t r o l l e db yt h es o l u b i l i t ya n dd i f f u s i v i t yo fc re l e m e n t s i nt is o l u t i o n t i 6 a 1 4 m oa l l o yh a st h es a m ed e f o r m a t i o nc o n f i g u r a t i o n sa st i 6 a 1 4 c rf o r s a m eg i v e nh e a tt r e a t m e n t s g r e a ta m o u n td i s l o c a t i o n sg e n e r a t ei nt h eg r a i na n d s o m eo ft h e ma r r a n g ei na r r a y sa f t e rs o l u t i o nt r e a t m e n t s m e a n t i m et w i n n i n gi s a l s oe v i d e n ta d ja c e n tt og r a i nb o u n d a r y i nc o n t r a s t d i s l o c a t i o n sa n dt w i n sc o u l d b ef o u n di nap h a s ea f t e ra g i n gt r e a t m e n t a n dt h et w i n sc o u l dp a s st h r o u g ht h e i n t e r p h a s ef r o map h a s et opp h a s e f u r t h e r m o r e t i 一6 a 1 4 m oa n dt i 6 a 1 4 c r a l l o y sh a v ea l s oav e r ys i m i l a rt r e n di nh a r d n e s sa sf u n c t i o no fh e a tt r e a t m e n t c o n d i t i o n si ns p i t et h a tt i 6 a 1 4 m oa l l o yi sh a r d e rt h a nt i 6 a i 4 c ra l l o ya ta l l a p p l i e dc o n d i t i o n sw h i c hw a sd u et oe f f e c t i v es t r e n g t h e n i n ge f f e c to fc ra d d i t i o n t h eh a r d n e s sg a i n si n c r e m e n td u et oa g i n ga f t e rs o l u t i o nt r e a t m e n tb u td e c r e a s e si f t h ea g i n gt e m p e r a t u r ei sr a i s e d k e yw o r d s t i 6 a i 4 m oa l l o y t i 6 a 1 4 c ra l l o y s o l u t i o na n da g i n gt r e a t m e n t m i r o s t r u c t u r e p r e c i p i t a t i o n i i 硕士学位论文 1 1 钛合金的基本性质 第1 章绪论 17 9 1 年 英国的矿物学家w i l l i a mg r e g o r 在铁矿石中发现了钛元素 钛并 不是稀有金属 在地壳中的元素含量居第9 位 遗憾的是 人们很少在地壳中 发现含钛量高的矿石 且从未发现过纯钛 又由于钛与氧 氮 碳 氢等元素 有极强的亲和力 而且与绝大多数耐火材料在高温下发生反应 从而使金属钛 的提取工艺非常复杂和困难 因此钛的价格非常的高 经历了一百多年的摸索 和努力 才于2 0 世纪上半叶先后发明了金属钛的钠热法 碘化法 镁热法 但即使到现在 钛也只能分批 间歇式地进行生产 而不存在像其它结构金属 那样的连续生产工艺 从2 0 世纪5 0 年代以来 世界上越来越多的国家认识到钛合金的重要性 尤其是第二次世界大战以后 钛基合金很快就成为了航空发动机的关键材料 因此都相继对其进行研究开发 钛合金的突出特点在于它的高的比强度及其优 良的耐腐蚀性 同时又具有良好的耐热性和低温性能 因而使用性强 应用面 广 纯净的钛是银白色金属 具有银灰色光泽 钛属于难熔金属 原子序数为 2 2 位于周期表 b 族 是过渡族金属 如图1 1 所示 钛有两种同素异构体 0 t i 在8 8 2 以下稳定 为密排六方晶格结构 p t i 在8 8 2 与熔点16 7 8 之 间稳定存在 具有体心立方晶格结构 1 0 1 1 1 0 1 0 吼 0 3 3 2 n r n 口 图1 1 旺 t i 和b t i 的晶体结构 1 1 钛的密度为4 5 1g c m 3 只相当于钢的5 7 钛的导电性差 热导率比不 锈钢高5 0 左右 线膨胀系数很低 钛没有磁性 在很强的磁场下也不会磁 化 在低温时还具有超导性 钛合金兼有钢的高强度和铝的轻质地的优点 钛 合金另外一个特点是在高温能保持比较高的比强度 作为难熔金属 钛合金熔 t i 一6 a 1 4 m e m e m o c r 合会显微组织的研究 点高 随着温度的升高 其强度逐渐下降 但是 其高的比强度可以保持到 5 5 0 到6 0 0 如图1 2 所示 t e m p e r a t u r e k 图1 2 不同材料的比强度一使用温度关系比较 钛合金在淡水和海水中有极高的抗蚀性 抗蚀性比铝合金 不锈钢都好 钛合金能与氧形成高稳定性的氧化物保护膜 因而在低温和高温气体中具有极 高的抗蚀性 在室温条件下 钛合金也不容易被各种化学试剂所腐蚀 即使受 到机械磨损 也会很快自愈或再生 具有强烈的钝化倾向 而钛合金的显微组织对其性能有着十分重要的影响 如表1 1 所示 因此 为了更好地研究和开发钛合金 人们运用金相显微镜 扫描电子显微镜 透射 电子显微镜等各种不同的表征方法对钛合金的热处理工艺 显微组织和性能之 间的关系进行了比较系统的研究 2 4 表1 1显微组织对钛合金性能的影响 o 表示没影响 表示性能提高 一表示性能降低 一 e 一j山 氤 l 三z u墨一 iz 硕士学位论文 1 2 钛合金的分类 钛合金一般按退火组织分为a 型 p 型 a 1 3 型 还包括近q 合金 三大类 它们的划分严格来说要利用钛合金三维相图来加以区分 如图1 3 a 所示 但 一般也可以利用钛钒合金的部分相图来说明 b 图1 3a 区分钛合金的三维相图 1 l b 钛钒合金部分相图 s l 如果钛合金中钒的含量少于d 点时 这样的合金从d 相变温度以上的温 度冷却下来时 如图1 3 b 垂线1 所示 将转变成条状的q 相组织 这样的合 金叫做g t 钛合金 如果钛合金中的钒很多 比如大于15 像图中垂线2 所 示的那样 在淬火时将得到单一的不够稳定的1 3 相 这就是p 钛合金了 钒的 含量在d 点和15 之间 便是a 1 3 两相钛合金了 1 2 1o 型钛合金 退火组织为以a 钛为基体的单相固溶体的合金称为a 钛合金 包括纯钛 g t 型钛合金在常温下全部为单相仅组织 0 型钛合金的主要特点是高温性能好 组织稳定 焊接性和热稳定性好 是发展耐热钛合金的基础 关于耐高温a 型钛合金已经进行了比较深入的研 究 其最高使用温度几乎已经提升至了钛合金的极限 a 型钛合金一般不能热 处理强化 其力学性能对显微组织不甚敏感 但自b 相区冷却的合金 抗拉强 度 室温疲劳强度和塑性要比等轴晶粒组织低 另一方面 自b 相区冷却能改 善断裂韧性和有较高的抗蠕变性能 5 1 2 2a 1 3 型钛合金 退火组织为0 b 相的合金称为a 1 3 钛合金 平衡状态下 合金由a 1 3 两 相组成 两相的比例取决于合金成分 特别是b 稳定化元素的含量 国产a 1 3 型钛合金中1 3 相含量大约在5 2 0 范围内 5 1 两相的形态和分布与热加工历 3 t i 6 a 4 m e m e m o c r 含金显微组织的研究 史及热处理工艺参数等有直接关系 变化复杂 1 2 31 3 型钛合金 1 3 稳定元素质量百分含量大于1 7 的合金称为1 3 合金f 5 1 1 3 钛合金是发展 高强钛合金潜力最大的合金 合金化的主要特点是加入大量的p 稳定元素 空 冷或水冷在室温能得到全由p 相组成的组织 通过时效处理可以大幅度提高强 度 1 3 钛合金另一特点是在淬火条件下能够冷成形 体心立方晶格 然后进行 时效处理 1 3 钛合金中的元素 根据各种元素与钛形成相图的特点 及对钛的同素异构转变的影响 加入 钛中的合金元素可以分为 对同素异够转变温度影响很小的中性元素 提高a 和d 转变温度的a 稳定元素 降低0 1 和1 3 转变温度的1 3 稳定元素 1 3 1 中性元素 对钛的1 3 相转变温度影响不明显的元素 称为中性元素 中性元素在a 和 p 相中有较大的溶解度 甚至能够形成无限固溶体 中性元素加入后主要对a 相起固溶强化作用 故有时也可以将中性元素看作a 稳定元素 钛合金中常用 的中性元素主要为锆和锡 它们在提高0 相强度的同时 也提高其热强性 1 3 20 稳定元素 能提高1 3 相转变温度的元素 如图1 4 所示 称为0 稳定元素 它们在周 期表中的位置离钛比较远 这些元素的电子结构 化学性质与钛的差别较大 铝是最广泛采用的c c 稳定元素 钛中加入铝 可以降低熔点和提高1 3 相转变温 度 在室温和高温都起到强化作用 铝以置换方式存在于a 相中 几乎所有的 钛合金中均含有铝 中性型 仪稳定化型 图1 4 中性元素和q 稳定元素对钛合金相图的影响 1 4 硕 二学位论文 1 3 3p 稳定元素 降低c t 和1 3 转变温度的元素 称为1 3 稳定元素 根据相图的特点 图1 5 又可以分为b 同晶元素和1 3 共析元素 b 同晶元素 如钒 钼 铌 钽等 在周期表上的位置靠近钛 具有与p 钛相同的晶格类型 能与b 钛无限互溶 而在a 钛中具有有限的溶解度 b 共析元素 如锰 铁 铬 硅 铜等 在a 相和b 相中具有有限溶解度 但在i 相中的溶解度大于在a 相中的溶解度 以存在共析反应为特征 按共析 反应的速度 又可以分为慢共析元素和快共析元素 慢共析元素有锰 铁 铬 钴和钯等 它们的加入使钛的b 相具有很慢的共析反应 反应在一般的冷却速 度下来不及进行 快共析元素 如硅 铜 镍 银 钨 铋等 在b 钛中形成 的共析反应速度很快 在一般的冷却速度下就可以进行 p 相很难保存到室温 1 r i 1 3 稳定化型 b 同晶型 1 3 共析型 图1 51 3 稳定元素对钛合金相图的影响 1 1 s i 的析出相对钛合金的性能影响十分显著 适量的s i 可以有效地提高钛 合金的抗蠕变性能 s i 的共析转变温度较高 钛合金中s i 的含量不能超过a 相的最大固溶度 一般为o 2 5 左右 h s i e hsf 等将2 的s i 加入钛镍合金 中 发现加入s i 后 钛镍合金基体晶界处分布有大量的沉淀析出产物 通过 物相分析显示析出相为t i 2 n i s i 和x 相 t i 5 n i 4 s i l 6 w o o d f i e l dap 等认为s i 的析出物对a 2 相 t i 3 a 1 的形核和稳定起促进作用 并且与0 2 相共同作用 引 起材料韧性的进一步下降 7 1 但是e v a n sdj 等对这种协同作用表示反对 认 为s i 的析出相与a 2 相没有上述关系 8 目前 钛合金中最常用的合金元素约有十余种 其主要强化途径是固溶强 化 如1 3 同晶元素 和弥散强化 如1 3 共析元素 前者是通过提高0 相或b 相 的固溶浓度而提高合金的性能 后者十借助热处理获得高度弥散的a 1 3 或a 金属间化合物来达到强化的目的 对于合金元素在钛合金中的作用 归纳起来 有以下几点1 5 1 5 t i 一6 a i 4 m e m e m o c r 合金显微组织的研究 1 起强化作用 提高室温抗拉强度最显著的是铁 锰 铬 硅 其次为铝 钼 钒 而锆 锡 钽 铌强化效果差 2 升高或降低相变点 起稳定a 相或p 相的作用 3 添加b 稳定元素 增加合金的淬火性 从而增强热处理强化效果 4 铝 锆 锡有防止 相形成的作用 稀土可以抑制0 t 相析出 p 同晶元 素有阻止1 3 共析分解的作用 5 添加铝 锆 硅 稀土元素可以改善合金的耐热性能 6 加钯 钌 铂等提高合金的耐腐蚀性和扩大钝化范围 1 3 4 元素在合金中的扩散 由于密排六方的原子堆垛密度比体心立方的堆垛密度要大 因此元素在 a t i 中的扩散速度比在b t i 中的扩散速度慢很多 a t i 的扩散系数比p t i 的 要小很多 以下给出的是t i 在5 0 0 c 和10 0 0 c 时的自扩散系数 在5 0 0 c 扩散 5 0 小时后和10 0 0 扩散1 小时后的扩散距离说明了其扩散能力之间的差异 5 0 0 c d a t i 1 0 1 9 m 2 s 5 0 h 后 d 0 8 p m d p t i 1 0 叫5 m z s d 0 9 p m 1 0 0 0 c d a t i 1 0 5 m 2 sl h 后 d 4 1 t m d 州 1 0 1 3 m 2 s d 4 0 m a t i 和p t i 的扩散系数受显微组织的影响 从而影响两相的力学性能 如抗 蠕变性能 热加工性能和超塑性 a t i 的扩散能力有限 使得a t i 和含a 相 的钛合金抗蠕变性能优于p t i 1 4 钛合金的热处理 钛合金可进行一般的热处理 如各种退火等以改善组织和性能 也可进行 固溶强化和时效强化 热处理强化大多应用于仅 p 钛合金以及亚稳态的p 合金 一般0 t 钛合金大多只进行退火处理 真正平衡态的d 钛合金无实际意义 通 常 钛合金通过热加工处理可以得到不同的显微组织 热加工处理较为复杂 包括变形 固溶处理 时效等 其示意图如图1 6 所示 6 硕十学位论文 r 墨 图1 6 钛合金的热加工处理 1 l 在热处理过程中对钛合金进行变形也可以使合金得到强化 这种将变形和 热处理结合起来热处理工艺称变形热处理 形变热处理方法 即将压力加工 锻 轧等 与热处理工艺有效地结合起来 则可以同时发挥形变强化和热处理 强化的作用 得到单一的强化方法所不能获得的组织与综合性能1 5 j 钛合金固溶处理加热温度一般在8 0 0 1 0 0 0 范围内 但具体钛合金固溶 处理温度应该根据合金成分及所要求的性能来具体确定 a p 钛合金常在a p 相区加热 温度通常比两相区上限温度略低 以使合金固溶处理组织中保留一 部分a 相 对于b 钛合金 固溶温度一般超过p 相变温度1o 4 0 即可1 5 j 退火应用于各种钛合金 而且是a 钛合金和含少量b 相的a b 钛合金的唯 一热处理方式 因为这两类合金不能进行热处理强化 钛合金的退火目的在于 消除内应力或消除加工硬化 常见的钛合金的退火方式有去应力退火 再结晶 退火 双重退火 等温退火 真空退火等 退火常用的冷却方式有 炉冷到一 定温度后空冷 简单空冷 分级冷却 即在加热保温后 将工件迅速转入另一 温度较低的炉中保温一定时间后空冷 二次空冷 每次加热后均采用空冷 5 j 时效是钛合金热处理的重要方式 主要用于q b 钛合金和b 钛合金 它时 效强化原理与铝合金不同 铝合金时效靠过度相强化 而钛合金时效靠平衡弥 散相强化 影响钛合金时效效果的主要因素有合金成分 热处理和原始组织 1 5 钛合金的相变 1 5 1 钛的同素异构转变 同素异构转变是钛合金中各种相变的基础 且相变温度对成分十分敏感 纯钛自高温缓慢冷至相变温度时 从体心立方晶格p 相转变为密排六方晶格a 相 2 0 0 3 年 b h a t t c h a r y y ad 等采用扫描电子显微镜的取向成像附件技术 o m i 对0 和p 相的晶体学和几何学的位相关系进行了精确的研究 引 a 相 7 t i 6 a i 4 m e m e m o c r 合金显微红l 织的研冗 与1 3 相完全符合伯格斯的取向关系 0 0 0 1 a 1 10 1 3 a 1 3 1 5 2p 相在冷却时的转变 a h m e dt 等研究了不同冷却速度对a p 型钛合金相变的影响 通过对 t i 6 a 1 4 v 合金的研究 发现不同的冷却速度发生不同的相变 如图1 7 所示 冷却速度在4 1 0 s 以上时 只发生p q 马氏体 相变 冷却速度在4 1 0 c s 至2 0 c s 时 发生p a m 块状转变 冷却速度继续降低 将直接发生p a 的 相变 10 1 s o l u t i o nt r e n t1 0 5 0 0 2 3 0m i n s 去 二 嗨 5 7 5 0 c 赢 一 一 图1 7t i 6 a i 4 v 不同冷却速度下组织转变图l l 叫 1 5 2 11 3 相在快冷时的转变 钛合金自高温快速冷却时 视合金成分不同 1 3 相可以转变为六方马氏体 仅 或斜方马氏体a f 0 或过冷1 3 等亚稳定相 k u b i a kk 等研究了t i 6 a i 4 v 和t i 6 a 1 2 m o 一2 c r 合金自1 3 相区冷却时的 显微组织结构变化 1 在快速冷却过程中 由于a 相来不及析出 但是1 3 相 的晶体结构仍然发生了变化 这种原始p 相的成分未发生变化 但晶体结构发 生了变化的过饱和固溶体是马氏体 若p 相稳定元素含量少 转变阻力小 b 由体心立方晶格直接转变为密排六方晶格马氏体0 l 若b 相稳定元素含量多 转变阻力大 1 3 由体心立方晶格则转变为斜方马氏体1 1 当合金中的元素含量在临界浓度附近时 快速冷却或低温时效时 将在合 金组织中形成一种 相 相尺寸小 高度弥散 具有六方晶格 与母相共生 并有共格关系 它们的取相关系为 0 0 0 1 1 1 1l b 11 2 0 1 1 0 1 3 p 1 当p 稳定元素含量较高时 淬火后将有残余p 相 实际上就是过冷p 相 残余1 3 相的时效可使合金显著强化 8 硕上学位论文 1 5 2 2b 相在慢冷时的转变 钛合金在慢冷过程中一般都是析出仅相 a 相析出的过程是一个形核和长 大的过程 形核的位置 形核的数量 长大的速率与合金的缺陷结构 热处理 工艺以及合金成分有关 有时在a 片之间存在剩余的1 3 相薄层 合金中p 稳定 元素含量越少 剩余1 3 相的相对数量越少 1 5 3 时效过程中亚稳定相的分解 钛合金淬火形成的亚稳定相 如a a 及过冷1 3 相 在时效时会发生 分解 其分解过程很复杂 不同的亚稳定相分解过程不同 同一亚稳定相因合 金成分和热处理工艺的不同分解过程也不同 若处理时间足够长 最终的分解 产物均为a p 相 若合金能发生共析反应 则最终产物还会有t i m y 钛合金 经过时效以后 可以获得弥散的a 1 3 相以及其它析出强化相 使合金产生弥散 强化 这是钛合金时效强化的基本原理 1 5 3 1 马氏体的分解过程 六方马氏体a 的分解 根据合金的性质 0 有三种分解方式 1 1 一p q a 一过渡相一a t i x m y q 一p p t i x m y l 引 含同晶元素的钛合金按a 一p a 方式分解 从a 相中直接析出p 在a 相 界及a 内部孪晶界面上下均匀形核 当合金浓度较低时 基体伍可发生再结晶 消除针状a 组织形态 当合金浓度较高时 1 3 沿0 相边界析出 形成连续片层 状 阻止a 相发生再结晶 保留针状a 的形态 含快共析元素的钛合金按a 一过渡相一a t i x m v 方式分解 其时效分解过 程与铝合金时效分解相似 先形成与母相共格的富集g p 区 然后过渡到半共 格的中间相 过渡相 最后形成非共格的t i x m y 整个分解过程发生明显的时 效强化效应 含非活性共析元素的钛合金按a 一p p t i x m y 方式分解 时效初期从a 相直接析出b 相 然后从1 3 相中再析出化合物 这一分解过程进行得十分缓慢 在一般时效处理后组织仍为a b 相 斜方马氏体0 的分解 马氏体在3 0 0 c 4 0 0 c 即发生快速分解 在4 0 0 5 0 0 可获得弥散度高的旺 p 的混合物 使合金弥散强化 马氏体在分解 为最终平衡状态产物a 1 3 t i p 同晶型合金 或 a t i m y t i 一1 3 共析型合金 之前 要经过一系列复杂的中间过渡阶段 不同成分及状态的合金 其斜方马氏体a 分解的具体过程不同 5 j 第一种分解过程是先从仅 析出d 亚稳定相 非平衡成分 使a 中的p 稳定 元素贫化 转变成仅 贫 然后转变为0 最后转变为0 即 a 一1 3 亚 0 贫一1 3 亚 0 a 1 3 9 t i 6 a i 4 m e m e m o c r 含金显微组织的研究 第二种分解过程是先从a 析出仅相 使0 l 中的稳定元素富化 变成c 富 然后转变为d 亚 最后转变为q 即 仅 0 0 富一p 亚 a 一0 邮 第三种分解过程是先在0 形成b 稳定元素富化区及p 稳定元素贫化区 富 化区转变为非平衡的亚稳定p 相 再转变为平衡成分的1 3 相 即 一 c c 富 仅贫 p 亚 a 贫一a p 第四种分解过程是仅 发生马氏体的逆转变 变为亚稳定的1 3 相 1 3 亚稳定 相分离为合金元素的富集区及贫化区 并作进一步的转变 即 a 一p 哑一p 富一p 一仅 p 或者旺 一p 亚一p 贫一 伍 a i x i 3 1 5 3 2 相的分解过程 相实际上是1 3 稳定元素在a t i 中一种过饱和固溶体 其在时效时发生的 分解过程与a 的分解过程基本相同 y a s u y ao 等研究了一种亚稳b 钛合金 t i 9 8 7 v 1 7 8 f e 3 2 0 a 1 中 1 相对p a 及a 转变的影响 12 1 1 0 0 0 c 固溶处理后 3 0 0 c 保温10 0 分钟 合金中析 出弥散分布的球状 相 随着的温度升高 相发生聚集 3 5 0 以上板条状 的0 相形核并向基体和 相内扩展 国相减少 仅 界面保持着t a k e m o t o 位 相关系 o b 保持b u r g e r s 位相关系 合金在1 3 相区直接淬火 0 马氏体将在p 界面优先形核 在6 0 0 一3 0 0 c 时 短时保温就可加速a 马氏体形成 但是 相的出现将延缓q 马氏体形成 2 0 0 7 年 w a n gb 等在对t i 10 v 2 f e 3 a i 的研 究过程中也发现了类似的现象 l 引 2 0 0 6 年 p r i m af 等研究了一种经过双级时 效的新型钛合金 l c b 钛合金 t i 6 8 m o 一4 5 f e 一1 5 a i 中的椭球 相 提出了另 外一种的影响机制 认为a 相先在 相中依靠原子置换形核 然后通过扩散 作用长大并吞并 相 并建立了演变机制简图 1 4 在此之前 立方 相对仅 相形成的影响机制已经有了普遍的认识 认为a 相是在1 3 o 界面的边缘和位错 处形核的 l 但是关于椭球 相对a 相形成作用还存在争论 1 5 3 3 亚稳b 相的分解 亚稳1 3 相的分解过程也十分复杂 当加热温度较低时 1 3 相将分解为无数 极小的溶质原子贫化区与溶质原子富集区 随着加热温度升高或加热时间的延 长 则视1 3 相化学成分不同从溶质原子贫化区中析出t o 相或0 相 并最终形 成0 p 组织 由于a 相是在d 贫中形核长大的 1 3 贫高度弥散 故只有控制适当 的加热工艺 就可获得高度弥散的a 1 3 组织 从而提高合金的性能 p 亚可能 按下面几种方式进行1 5 1 合金浓度较低的合金在高温 5 0 0 c 时效时分解过程为1 3 亚一i x f 2 合金浓度较高的合金在低温 3 0 0 2 4 0 0 c 时效时分解过程为1 3 哑一 1 0 硕十学位论文 p p a a p 3 添加抑制 形成元素的合金 当过渡相 不能出现时分解过程为p 亚 一d p p p q a p 含共析型1 3 稳定元素的合金则最终平衡组织为a t i m 在对t i 1 5 n o 2 7 n b 3 a 1 0 2 s i 亚稳定b 相时效分解特性研究中 发现在 5 0 0 以上时效 p 相直接析出次生仅相 5 0 0 c 以下时效 先析出 相 再析 出平衡a 相 并发现该钛合金在d 固溶状态和时效组织中均存在硅的析出相 尺寸为0 2 0 5 p m t l6 1 1 6 钛合金中重要的析出相 在钛合金中 t i 与a l 在一定成分范围内能够形成超点阵结构 当a l 的含 量达到临界固溶度时 无序固溶体的密排六方结构的对称性发生变化 会形成 以t i 3 a l 为基的有序a 2 固溶体 人们通常称之为a 2 相 a 2 相具有d o l 9 结构 如图1 8 所示 q 2 相能使合金变脆 热稳定性降低 0 2 相颗粒尺寸小于5 0 n m 时为球形 5 0 n m 以上便椭球化 其长轴平行于 0 0 0 1 随时效时间和温度的 不同 长短轴之比为1 4 在一般情况下 仅2 相与基体共格性好 其尺寸范 围最小小于2 5 n m 最大则可以充满一个晶粒 o 期嘲 舯 i 嘲椭 图1 8a 相的结构示意图 1 7 1 对于t i a l 系合金目前已经做了大量的工作 特别提出的是在不同的钛合 金中 由于受到其它合金元素的影响 a 2 相出现的a l 的临界浓度在不同的合 金中有所不同 根据钛 铝相图 如图1 9 所示 在没有其它元素的影响下 a 2 相出现的a l 的临界浓度 质量分数 大约为l3 而n a m b o o d h i r i 等却在a l 含 量只有6 的钛合金中发现了q 2 相 18 1 由于其它元素对g t 2 相的出现有很大的 影响 如氧就是0 2 相的稳定元素 r o s e n b e r g 提出了铝当量经验公式 a 1 a l l 3 s n 1 6 z r 1 2 g a 10 o 8 9 1 1 当铝当量值小于8 9 时 合金中才不会出现c 2 相 t i 一6 a i 4 m e m e m o c r 含金显微组织的研究 耖 纂 辨蠡 l 毫l i 一 一 一 一 l 卜 殍 舶 l 多 il 一孽 一 h p q 1 一 崎搦墨剃j 盎 皇 4 翰 图1 9t j a l 二元相图 z h a n gxd 等对t i 6 a 1 2 c r 2 m o 2 s n 2 z r 中的 1 2 相进行了研究 发现1 1 2 相的形 成与热处理冷却速度以及时效保温时间有关 当温度升高到7 3 0 以上时 5 2 相消 失了 1 7 1 2 0 0 8 年 f e iyh 等通过x 射线衍射分析研究了t c 2 1 钛合金在不同热处 理制度下相变和微结构 第一次发现t c 2 1 在经过一定的热处理后 可以析出q 2 相 19 1 在t i c r 系钛合金中很容易形成l a v e s 相 t i c r 2 l a v e s 相属于t c p 结构 二 元l a v e s 相的典型分子式结构为a b 2 其特点主要为 1 原子尺寸因素 a 原子的半径略大于b 原子的半径 其理论比值应为 r a r b 1 2 2 5 而在实际情况下其比值大约在1 0 5 1 6 8 之间 2 0 1 j 而t i c r 2 中r t i r c 1 18 因此需要对c r 原子进行压缩而对另t i 原子膨胀这是形成理想t i c r 2 相所要 求的 2 电子浓度因素 一定结构类型的l a v e s 相对应着一定的电子浓度 3 t i c r 2 相的晶体结构有三类 如图1 1o 所示 0 一t i c r 2 m g c u 2 型立方结构 c 1 5 p t i c r e m g z n 2 型密排六方结构c 1 4 y t i c r 2 m g n i 2 型双密排六方结 构c 3 6 1 2 l a v e s 相多数具有严格的成分 在相图上表现为成分范围是一条直线 但也 有部分l a v e s 相的成分为一区域 即l a v e s 相成分范围偏离了化学计量比成分 当l a v e s 相成分偏离化学计量比成分时a 原子与b 原子的原子比不再是1 2 对 于l a v e s 相成分范围不是一条直线的化合物而言必然会出现结构缺陷 空位或者 反位置替代 2 2 1 1 2 硕 学位论文 图1 1 0t i c r 二兀相图 t i c r 2 室温下属于m g c u 2 型立方结构 一般能稳定存在 高温下是m g n i 2 型双密排六方和m g z n 2 型密排六方结构 它们的析出速度慢 而且不稳定 容易转变为立方结构 很难被观察到 l a v e s 相在高温的这种转变是通过同步 剪切来实现的 由于l a v e s 相晶体结构复杂 原子排列紧密 空间利用率和配 位数都很高 在室温下无法实现位错的滑移 但在高温下则可以通过肖克莱不 全位错的滑移实现同步剪切运动 而在立方结构中每相邻四层结构发生依次同 步剪切就会产生孪晶 2 3 1 如图1 1 1 所示 a b 图1 11a 钽合金中的l a v e s 相 2 3 b t i 一6 a i 一2 c r 一2 m o 2 s n 一2 z r 中的l a v e s 相1 2 4 1 1 7 选题背景及意义 我国钛合金研究已有4 0 多年的历史 起源于航空 仿制了许多钛合金 而真 f 独立研制的钛合金是从2 0 世纪7 0 年开始 t i 6 0 合金由中国科学院金属 t i 6 a i 4 m e m e m o c r 合金显微组织的研究 研究所在t i 5 5 合金基础上改型设计 宝鸡有色金属加工厂参与研制的一种6 0 0 高温钛合金 t i 6 0 合金的特点之一是合金中加入了1 n b 通过内氧化方式 形成富含n b s n 的稀土相 降低基体中的氧含量 从而起到净化基体 改善 合金热稳定性的作用 2 5 1 西北有色金属研究院也创新研制了3 0 多种新型钛合 金 如具有我国自主知识产权的t i 7 5 t i b19 等等 其中部分新合金也得 到批量化生产和应用 虽然取得了一些可喜的成果 但我国的钛合金的研究还 不很成熟 很多方面还处于研究阶段 因此加强我国对钛合金的研究十分必要 第一个实用的钛合金是1 9 5 4 年美国研制成功的t i 一6 a 1 4 v 双相合金 退 火后还有7 的1 3 相 因此可以进行热处理强化 由于它在耐热性 强度 塑 性 韧性 成形性 可焊性 耐蚀性和生物相溶性方面均达到较好的水平 因 而成为钛工业中的王牌合金 占全部用钛量的5 0 以上 在钛合金的研究当中 t i 6 a 1 4 v 也是研究得最多的一种合金之一 随后 为了满足实际应用的需要 人们以t i 6 a 1 4 v 合金为基础 保留其 中的a l 元素 用其它元素代替v 元素 对t i 6 a 1 x 系合金进行了一系列的研 究和开发 期望获得所需性能 如2 0 0 3 年 f i l i pr 等研究和比较了t i 6 a i 4 v 与t i 6 a 1 2 m o 2 c r 这两种合金的显微结构和力学性能 3 j f e iyh 等则研究了 t c 2 1 合金 t i 一6 a 1 2 s n 一2 z r 3 m o 1c r 2 n b s i 热处理过程中相变和显微组织的 变化 1 9 由于合金元素的变更 t i 6 a 1 x 系合金的性能相对于t i 6 a i 4 v 合金 有了明显的变化 并在其独特的应用领域发挥着重要作用 但是关于合金元素 对t i 6 a i x 系合金显微组织和性能的影响的研究还比较少 本课题即以 t i 6 a 1 4 v 为基础 为了比较试验 专门设计了两种合金 t i 6 a 1 4 m o 和 t i 6 a 1 4 c r 合金 本文较为系统地研究了m o c r 这两种合金元素在不同的热 处理工艺条件下对合金组织和性能的影响 为t i 6 a 1 x 系合金的设计和研究 提供一定的依据 1 4 硕十学位论文 2 1 实验原材料 第2 章实验 原材料是由西北有色金属研究院提供的直径为 5 m m 的t i 6 a 1 4 m o 和 t i 6 a 1 4 c r 钛合金棒材 为了比较研究合金元素m o 和c r 在简单的t i a i m e 三元系钛合金中所起的作用 包括组织和性能 西北有色金属研究院以 t i 6 a 1 4 v 为基础 设计了t i 6 a 1 4 m o 和t i 6 a 1 4 c r 合金 2 2 实验方法 t i 6 a 1 4 m o 和t i 6 a 1 4 c r 这两个不同系列钛合金都经过相同的热处理工 艺 每个系列都有4 个样品 l 群在8 0 0 固溶两个小时后空冷 2 拌 3 捍 4 撑分 别在1 q 0 0 保温4 5 分钟后空冷进行6 0 0 7 0 0 8 0 0 的高温时效 时效 时间均为2 小时 其具体的热处理工艺见下表 表2 it i 一6 a i 4 m o 和t i 一6 a i 4 c r 合金热处理工艺表 样品号热处理制度 l 捍 2 撑 3 撑 8 0 0 2 小时固溶 空冷 1 0 0 0 1 4 5 分钟固溶 空冷 6 0 0 2 1 2 小时时效 空冷 1 0 0 0 c 1 4 5 分钟固溶 空冷 7 0 0 c 1 2 小时时效 空冷 4 撑 1 0 0 0 1 4 5 分钟固溶 空冷 8 0 0 c 1 2 小时时效 空冷 西北有色金属研究院经过实验测得t i 6 a 1 4 m o 和t i 6 a i 4 c r 合金a 1 3 b 相变点温度分别约为9 9 0 c 和9 6 0 c 因此本实验中1 号样品经历的是两相 区固溶处理 2 号 3 号 4 号样品经历的均为p 单相区固溶处理 2 3 主要表征方法 2 3 1 金相显微镜 金相显微分析是研究材料内部组织的重要手段 其原理为 通过金相显微 镜 利用材料表面不同凹凸面对光线反射程度的差别来显示显微组织状态 从 金相照片中可以看出合金晶粒的大小 晶界的形状 析出物的多少以及典型的 组织形态 由于金相观察制样比较容易 设备操作比较简单 因此金相观察是 一种十分简单而有效的表征方法 但是由于金相分析是从样品表面腐蚀痕迹来 1 5 t i 6 a i 4 m e m e m o c r 合金显微组织的研究 判断材料的组织形态 放大倍数有限 因此它对析出物细微结构 成分等无能 为力 钛合金经过粗磨 细磨和抛光三个步骤后 用k r o l l 试剂 1 3 h f 2 6 h n 0 3 h 2 0 进行腐蚀 所用金相显微镜为m m 6 卧式金相显微镜 2 3 2 扫描电子显微镜 扫描电子显微镜是表征钛合金的另一种有效工具 它是以类似电视摄影显 像的方式 利用细聚焦电子束在样品表面逐点扫描时激发出来的各种物理信号 来调制成像的 相对于金相显微镜来说 它的分辨率有了很大的提高 如 j s m 6 7 0 0 f 扫描电镜 最佳点分辨率可以达到l n m 放大倍数为5 0 6 5 0 0 0 0 倍 由于扫描电子显微镜的景深远比光学显微镜大 因此不仅可以用来进行表 面形貌观察 还可以利用它来进行显微断口分析 本研究主要利用f e iq u a n t a2 0 0 环境扫描电镜背散射模式和e d s 能谱分析 成分 为了避免形貌衬度对原子序数衬度的干扰 样品只进行了抛光 没有进 行腐蚀 2 3 3 透射电子显微镜 透射电子显微镜是以波长极短的电子束作为照明源 用电磁透镜聚焦成像 的一种高分辨本领 高放大倍数的电子光学仪器 利用电子束与薄样品的相互 作用 从而获得样品的各种信息 要观察表面形貌可以用明场像 暗场像 要 分析晶体的内部结构可以用选区电子衍射 汇聚