固溶+时效处理对粉末冶金Ti-22Al-25Nb合金显微硬度的影响
Effect of Solution- and Aging-treatment on Microstructure and Microhardness of a Powder Metallurgy Ti-22Al-25Nb Alloy
通讯作者: 徐岩,副教授,xuyan_916@ysu.edu.cn,研究方向为难变形合金塑性加工
责任编辑: 吴岩
收稿日期: 2019-09-12 修回日期: 2019-10-14 网络出版日期: 2020-03-25
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Corresponding authors: XU Yan, Tel: (0335)8387503, E-mail:xuyan_916@ysu.edu.cn
Received: 2019-09-12 Revised: 2019-10-14 Online: 2020-03-25
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作者简介 About authors
贾建波,男,1981年生,副教授,博士
采用放电等离子烧结技术(SPS)在950℃/80 MPa/10 min条件下制备粉末冶金Ti-22Al-25Nb(原子分数,%)合金作为初始材料,将其分别在940~1100℃、10~120 min和800℃/8 h条件下进行固溶处理和时效处理,研究了固溶+时效处理对粉末冶金Ti-22Al-25Nb (原子分数,%) 合金的微观组织和显微硬度的影响,并建立了显微硬度的演变模型。结果表明,随着固溶温度的提高和保温时间的延长B2相的晶粒尺寸增大、均匀度提高,在940~1010℃晶粒长大的速率最低,在1100℃晶粒尺寸的均匀度达到最大值0.84。板条O相的尺寸和数量对合金的性能有显著影响。在(B2+O)两相区时效后,其尺寸和数量显著影响合金性能的次生板条O相的体积分数提高、尺寸减小,尤其是相互交叉、缠结的O/O相数量的增多,使合金的显微硬度提高;在1060℃/60 min/Water cooling(WC)+ 800℃/8 h/Furnace cooling(FC)条件下处理的合金,其显微硬度达到最大值434.92 HV。
关键词:
The powder metallurgy (P/M) Ti-22Al-25Nb (atomic fraction, %) alloy sintered by spark plasma sintering (SPS) at 950℃/80 MPa/10 min was used as the initial material and the alloy experienced the solution treatment at the temperature range of 940~1100℃ for 10~120 min and subsequently aged at 800℃/8 h. The effect of solution- and aging-treatment on the microstructure and microhardness of P/M Ti-22Al-25Nb alloy was investigated, while the model of microhardness evolution was proposed. The results show that the grain size and uniformity of B2 phase increase with the increase of solution temperature and holding time. The growth rate of B2 phase grain is the lowest in the temperature range of 940~1010℃, and the grain size uniformity reaches the maximum 0.84 at 1100℃. The size and number of secondary lath O-phase have a significant effect on the properties of the alloy. After aging in the (B2+O) two-phase region, with the increase in the volume fraction of the secondary lath O-phase and the decrease in the size of the laths, especially the increase in the number of intersecting and entangled O/O phases, the microhardness of the alloy was enhanced. The microhardness of the alloy reached the maximum value 434.92 HV after solution and aging treatment at 1060℃/60 min/water cooling (WC)+800℃/8 h/furnace cooling (FC).
Keywords:
本文引用格式
贾建波, 鹿超, 杨志刚, 董添添, 顾勇飞, 徐岩.
JIA Jianbo, LU Chao, YANG Zhigang, DONG Tiantian, GU Yongfei, XU Yan.
Ti2AlNb基合金具有高比强度、优异的抗腐蚀性和抗蠕变能力,是航空航天领域最具潜力的新型轻质高温结构材料[1,2]。与传统的钛合金相比,Ti2AlNb基合金有轻质、高强度和适用范围广等优势[3,4]。作为第二代Ti2AlNb基合金的Ti-22Al-25Nb(原子分数,%)合金由有序正交O相、有序体心立方B2相和密排六方α2相组成,其中滑移系较多的B2相属于塑性相,塑性较强;属于脆性相的α2相滑移系比较少,塑性较低;具有正交结构的O相,其塑性介于B2与α2相两者之间。合金的力学性能与其微观组织密切相关[5,6,7,8,9,10,11]。由B2相和O相两相复合组成的Ti-22Al-25Nb合金,具有最优的综合力学性能[12,13,14]。因此,近年来关于Ti2AlNb基合金尤其是Ti-22Al-25Nb合金的热处理工艺、微观组织与力学性能之间关系的研究越来越多[15,16,17,18,19,20,21,22,23]。进行合理的固溶+时效热处理工艺可显著改善Ti-22Al-25Nb合金的微观组织和性能[24,25],将其在(B2+O)两相区温度时效处理后基体中生成弥散分布的细小O相板条组织 [25,26]。周伟等[27]在930~1010℃对粗晶Ti-22Al-25Nb合金进行固溶实验,研究了固溶参数对其显微组织演变的影响。但是他只研究了(α2+B2+O)三相区温度对显微组织的影响,没有研究(α2+B2)两相区和(B2)单相区温度和不同固溶时间对显微组织的影响。王邵丽等[28]在960~1000℃对Ti-22Al-25Nb合金进行固溶实验,研究了在不同固溶温度下Ti-22Al-25Nb合金的微观组织形貌变化及复杂相组成、相比例的变化,但是没有研究时效处理对Ti-22Al-25Nb合金组织演变的影响。鉴于此,本文以在950℃/80 MPa/10 min条件下用放电等离子(SPS)烧结得到的粉末冶金Ti-22Al-25Nb(原子分数,%)合金作为初始材料,在940~1100℃和10~120 min条件下进行固溶处理和800℃/8 h时效处理,研究固溶+时效处理对粉末冶金Ti-22Al-25Nb合金微观组织和显微硬度的影响,统计分析B2相平均晶粒尺寸、尺寸均匀度以及次生板条O相的尺寸和数量,并建立固溶+时效合金的显微硬度演变模型。
1 实验方法
采用SPS技术将Ti-22Al-25Nb (原子分数,%)预合金粉末在950℃/80 MPa/10 min条件下烧结,得到粉末冶金Ti-22Al-25Nb合金作为实验初始材料。用气雾化法制备Ti-22Al-25Nb合金的预合金粉末。将烧结后的初始材料在1080℃保温5 min进行退火处理。
表1 Ti-22Al-25Nb烧结合金热处理工艺
Table 1
No. | Solution time/min | Solution temperature/℃ | Cooling method | Aging temperature/℃ | Aging time/h | Cooling method |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 10 | 940,970,1000,1010,1030,1050,1060,1080,1100 | WC | 800 | 8 | FC |
2 | 30 | 940,970,1000,1010,1030,1050,1060,1080,1100 | WC | 800 | 8 | FC |
3 | 60 | 940,970,1000,1010,1030,1050,1060,1080,1100 | WC | 800 | 8 | FC |
4 | 120 | 940,970,1000,1010,1030,1050,1060,1080,1100 | WC | 800 | 8 | FC |
用水磨砂纸将试样打磨到3000目,抛光(抛光剂为1.5 μm的金刚石喷雾抛光液)后用Kroll溶液(10 mL HF:30 mL HNO3:100 mL H2O)腐蚀。用Axio Scope A1型光学显微镜(OM)和Sigma 500型扫描电子显微镜 (SEM)观察和分析试样的组织。在每个不同试样的中心部位和靠近中心的顶部、底部、左侧和右侧各取5张OM图。使用Image-Pro Plus软件利用截线法测量晶粒,统计B2相的晶粒尺寸取其平均值。统计晶粒尺寸的均匀度,η值越大表明晶粒尺寸分布越均匀。可用公式η=N1/N求解分析晶粒尺寸的均匀度,其中η为晶粒尺寸的均匀度,
使用MVS-1000D1型硬度计测试硬度,加压500 g,保压时间10 s,每个试样的硬度为8次实验值的平均值。
2 结果和讨论
2.1 Ti-22Al-25Nb合金预合金粉末的形貌及其退火后的显微组织
图1
图1
预合金粉末的SEM照片和粒度分布
Fig.1
SEM images and particle size distribution of prealloyed powders (a) low magnification, (b) high magnification, (c) particle size distribution
图2
图2
热处理前合金的原始组织
Fig.2
SEM micrographs of the original microstructure of the alloy before heat treatment (a) low magnification and (b) high magnification
2.2 固溶处理对Ti-22Al-25Nb合金组织及晶粒尺寸的影响
进行1000℃/10~120 min/WC处理后,合金的SEM及OM图如图3所示。可以看出,合金固溶后的微观组织由初生板条O相、B2基体相、少量等轴α2相组成,还有少量O相包裹α2相形成的Rim O相。在晶粒内部还观察到少量的板条状α2相,α2相的存在使晶粒尺寸得到了很好的控制。从OM图可见,随着保温时间从10 min增加至120 min晶粒的长大不太明显,这是α2相对晶粒的钉扎所致。固溶后晶粒内部的初生板条O相数量减少,变短变粗,有的甚至球化成等轴状。
图3
图3
Ti-22Al-25Nb合金经1000℃/10-120 min/WC处理后的SEM照片和OM图
Fig.3
SEM and OM micrographs of Ti-22Al-25Nb alloy at 1000℃/10-120 min/WC treatments (a) 1000℃/10 min/WC, (b) 1000℃/30 min/WC, (c) 1000℃/60 min/WC and (d) 1000℃/120 min/WC
图4给出了经940~1030℃/60 min/WC处理后Ti-22Al-25Nb合金的显微组织,图5给出了保温时间为60 min B2相的平均晶粒尺寸随固溶温度的变化曲线,表2给出了在不同固溶条件下Ti-22Al-25Nb合金的晶粒尺寸统计。如图4a所示,经940℃/60 min/WC处理后合金具有板条组织,其中α2相板条聚集在B2晶界上,少数黑色α2相分布在O相板条内形成α2/O板条镶嵌组织,分布在B2基体内部。在该温度下原子的迁移动能有所增大,使B2相的平均晶粒尺寸增大到53.23 μm,远大于初始组织合金B2相的平均晶粒尺寸。晶粒的长大,是晶界上的原子迁移所致。随着固溶温度的提高原子的迁移动能增大,提高了原子跨越晶界扩散的机会,晶粒尺寸也随之增大[30]。随着固溶温度从940℃继续升高到970℃原子的迁移动能继续增加,O相含量减少且晶界处的α2相部分变为颗粒状或短棒状,B2相的晶粒尺寸由53.23 μm增大到56.05 μm,如图4b中所示。随着固溶温度继续升高到1000℃时(图4c),O相的数量继续减小且晶粒内的板条数量急剧减小,在晶界上也分布着少量的等轴α2相,同时晶界变得光滑且平坦,B2相的平均晶粒尺寸达到62.1 μm。综上所述,在940~1000℃α2相的钉扎使晶粒长大不明显。随着固溶温度升高到1030℃合金的组织发生明显的变化,板条数量急剧减少,晶界处α2相数量大幅度减少,B2相的平均晶粒尺寸达到71.21 μm(图4d)。与940℃/60 min/WC处理相比,B2相的晶粒尺寸增大近33.78%,且随着固溶温度的继续提高B2相的平均晶粒尺寸还将增大,如图5所示。保持保温时间60 min,B2相的平均晶粒尺寸随着固溶温度的提高而而增大,在940~1010℃(α2+B2+O三相区)晶粒长大速率最小。其原因是,在该相区处理后合金由α2+B2+O三相组成,α2相对B2晶粒的钉扎阻碍晶粒长大。而当温度提高到(α2+B2)两相区及(B2)单相区温度,α2相的含量明显降低,钉扎作用减弱,因此B2晶粒长大速率明显提高。这也可从表2中看出,当固溶温度超过B2单相区的转变温度时B2相的晶粒增长迅速,晶粒尺寸明显增大。其原因是,超过B2单相区转变温度后α2相基本上完全溶解,晶界处自由能降低,晶界开始自由迁移,使晶粒迅速长大。结合图5和表2给出的结果,固溶温度不变而延长保温时间,B2相的平均晶粒尺寸随之增大;保温时间不变则B2相的平均晶粒随着固溶温度的提高而长大。
图4
图4
940~1030℃/60 min/WC处理后Ti-22Al-25Nb的显微组织
Fig.4
Microstructures of Ti-22Al-25Nb alloy at 940~1030℃/60 min/WC treatment: (a) 940℃/60 min/WC, (b) 970℃/60 min/WC, (c) 1000℃/60 min/WC and (d) 1030℃/60 min/WC
图5
图5
保温时间为60 min不同固溶温度样品的平均晶粒尺寸
Fig.5
Average grain size at different solution temperatures for 60 min holding time
表2 不同固溶处理后合金的平均晶粒尺寸
Table 2
Temperature /℃ | Average grain size/μm | Average grain size/μm | Average grain size/μm | Average grain size/μm |
---|---|---|---|---|
10 min | 30 min | 60 min | 120 min | |
940 | 43.57 | 49.74 | 54.00 | 58.52 |
970 | 48.43 | 55.55 | 60.51 | 65.79 |
1000 | 50.97 | 60.33 | 65.08 | 69.75 |
1010 | 53.05 | 62.75 | 68.62 | 72.88 |
1030 | 61.35 | 66.32 | 75.95 | 86.84 |
1050 | 90.66 | 111.42 | 120.89 | 132.73 |
1060 | 124.64 | 139.64 | 163.28 | 182.48 |
1080 | 138.71 | 167.65 | 185.99 | 205.54 |
1100 | 161.32 | 193.12 | 214.48 | 241.37 |
2.3 时效处理对Ti-22Al-25Nb合金组织和晶粒尺寸的影响
图6为经1000℃/10~120 min/WC+800℃/8 h/FC处理后的OM图、SEM图及局部放大图。从图6可见,时效的主要结果是在基体内析出了次生O相,时效处理后的烧结合金其组织由B2基体相、粗大的初生板条O相、细小的次生板条O相以及少量板条状α2相构成,其中黑色为α2相,灰色为O相,颜色最浅的为B2相。经1000℃/10 min/WC + 800℃/8 h/FC处理后在B2基体上析出了十分细小的、无规则排列的针状次生O相,有的次生O相相互交叉、缠结在一起,形成O/O组织状态,粗大的初生板条O相呈魏氏体分布,板条宽度约为0.35~0.49 μm,长度约为1.37~2.84 μm,如图6b所示。当固溶保温时间延长到30 min (1000℃/30 min/WC + 800℃/8 h/FC) B2基体中析出的尺寸大小与初生O相基本相同、排列比较杂乱的的次生O相的数量明显增多,尤其是细小的次生O相交叉在一起形成的O/O组织更多,提高了合金的显微硬度,如图6d所示。此外,随着固溶保温时间延长到60 min初生板条O相变短变粗,细小的次生板条O相的数量明显增多,如图6f所示。当固溶保温时间继续增加到最大的120 min时,与固溶保温时间为60 min的合金相比微观组织变化不太明显,次生O相的尺寸和体积分数小幅度增加,O/O板条的数量也小幅度增加,如图6h所示,其中经1000℃/120 min/WC+800℃/8 h/FC处理的合金显微组织中O相的体积分数达到最大。
图6
图6
Ti-22Al-25Nb合金经1000℃/10-120 min/WC+800℃/8 h/FC处理后的显微组织
Fig.6
Microstructures of Ti-22Al-25Nb alloy at 1000℃/10~120 min/WC+800℃/8 h/FC treatments (a, b) 1000℃/10 min/WC+800℃/8 h/FC, (c, d) 1000℃/30 min/WC+800℃/8 h/FC, (e, f) 1000℃/60 min/WC+800℃/8 h/FC, (g, h) 1000℃/120 min/WC+800℃/8 h/FC. (a, c, e, g) low magnification and (b, d, f, h) high magnification
图7
图7
Ti-22Al-25Nb合金经1100℃/10~120 min/WC + 800℃/8 h/FC处理后的SEM照片
Fig.7
SEM micrographs of Ti-22Al-25Nb alloy at 1100℃/10~120 min/WC + 800℃/8 h/FC treatments (a, b) 1100℃/10 min/WC+800℃/8 h/FC, (c, d) 1100℃/30 min/WC+800℃/8 h/FC, (e, f) 1100℃/60 min/WC+800℃/8 h/FC, (g, h) 1100℃/120 min/WC + 800℃/8 h/FC. (a, c, e, g) low magnification and (b, d, f, h) high magnification
图8给出了940~1100℃/60 min/WC+800℃/8 h/FC处理后合金的晶粒尺寸分布直方图。表3给出了经不同固溶+时效处理后合金的平均晶粒尺寸统计。从图8可见,B2相的平均晶粒尺寸随着固溶温度的提高而增大,且时效后晶粒分布越来越均匀。随着固溶温度提高到1100℃晶粒尺寸达到最大值210.84 μm,晶粒尺寸均匀度由940℃的0.53提高到1100℃的0.84。其原因是,晶粒长大的激活能随着温度的提高而增大,较大的晶粒逐渐吞并小晶粒,晶粒进一步长大;而小晶粒则越变越小,直至消失,使晶粒尺寸的均匀度提高。另外,随着温度的提高合金内部的再结晶能充分进行,没有被吞并的细小晶粒长大,与大晶粒的尺寸差距减小,也使晶粒尺寸的均匀度提高[30,31]。从表3可见,合金晶粒尺寸不仅与固溶温度有关,而且还与固溶保温时间有关。当固溶温度一定时,晶粒尺寸随着固溶时间的延长而增大。在940℃/10 min固溶后晶粒尺寸达到最小值40.12 μm,而随着固溶时间由10 min延长到30、60和120 min晶粒尺寸随之增大到45.56、53.23和60.48 μm,增大幅度分别达到了13.56%、32.68%和50.75%,且随着固溶时间的继续增加晶粒尺寸继续增大。从表2和表3还可以看出,固溶合金时效后晶粒尺寸比时效前略微减小,因为在时效的过程中静态再结晶可充分进行,使晶粒尺寸减小。
图8
图8
经940-1100℃/60 min/WC + 800℃/8 h/FC处理后B2的晶粒分布直方图
Fig.8
B2 grain distribution histogram after 940~1100℃/60 min/WC + 800℃/8 h/FC treatments (a) 940℃, (b) 970℃, (c) 1000℃, (d) 1010℃, (e) 1030℃, (f) 1050℃, (g) 1060℃, (h) 1080℃ and (i) 1100℃
表3 不同固溶+时效处理后合金的平均晶粒尺寸
Table 3
Temperature/℃ | Average grain size/μm | Average grain size/μm | Average grain size/μm | Average grain size/μm |
---|---|---|---|---|
10 min | 30 min | 60 min | 120 min | |
940 | 40.12 | 45.56 | 53.23 | 60.48 |
970 | 43.15 | 47.98 | 56.05 | 60.64 |
1000 | 52.9 | 58.87 | 62.1 | 66.77 |
1010 | 53.87 | 59.87 | 63.29 | 70.88 |
1030 | 62.9 | 67.74 | 71.21 | 82.79 |
1050 | 88.64 | 108.12 | 117.89 | 128.48 |
1060 | 120.46 | 132.42 | 160.82 | 180.73 |
1080 | 135.17 | 163.56 | 184.09 | 201.37 |
1100 | 157.12 | 190.21 | 210.84 | 239.54 |
2.4 固溶+时效处理对Ti-22Al-25Nb合金显微硬度的影响及其演变模型
固溶+时效处理影响合金的显微组织和晶粒尺寸,进而影响显微硬度。根据合金固溶+时效处理后的显微硬度,可揭示显微硬度的变化机制。图9给出了不同固溶时间+800℃/8 h/FC时效后合金的显微硬度。图10给出了固溶+时效后合金显微硬度的演变模型,其中图10a~c分别表示940~1000℃、1010~1060℃和1070~1100℃温度区间内的显微硬度变化机制,其中蓝色底色表示B2基体,黑色表示α2相,灰色表示O相,正四边形越小代表合金的显微硬度越大,正四边形越大代表合金的显微硬度越小。对于金属材料和钛合金,材料的显微硬度主要受四种硬化机制的影响:固溶强化、位错强化、晶界强化和析出物强化。从图9可以看出,在940~1000℃三相区温度范围内合金的显微硬度随着温度的提高呈缓慢增长的趋势。其原因是,在该温度范围固溶时O相缓慢固溶进B2基体中,如图10a固溶阶段所示。固溶后的合金内部主要为B2基体相,但是仍存在一定量的α2相。α2相对晶粒的钉扎使晶粒长大缓慢且O相体积分数较小,此时固溶强化占据主要地位使合金的显微硬度提高缓慢;在1010~1060℃随着温度的提高显微硬度急剧增长,因为时效处理后次生板条O相的体积分数较高,尤其是相互交叉、缠结形成的O/O组织的数量明显增多,如图10b时效阶段所示。时效后合金内部的初生板条更短更粗,近似球状,而且二次析出的细小的次生板条O相相互交叉、缠结,这极大的提高了合金的显微硬度。此时析出物强化占据主要作用,次生板条O相数量的增多及细化大大提高了合金的强度,使合金的显微硬度呈现急剧增长的趋势。在1060℃/60 min/WC+800℃/8 h/FC固溶+时效后合金的显微硬度达到最大值434.92 HV,如图9所示。在1070~1100℃随着温度的提高显微硬度降低,因为在单相区温度范围内α2相几乎全部固溶进基体而转化为B2相,正如图10c中时效阶段所示。合金中的α2相极少,α2相对基体相的钉扎减弱,使晶粒明显长大。根据Hall-Petch公式[32],合金的显微硬度随着晶粒的逐渐长大而降低。合金的晶粒尺寸越大其硬度越低,晶粒长大使显微硬度降低。对于Ti-22Al-25Nb合金,进行不同热处理后O相的形貌和体积分数都不同。因此,选择合理的热处理条件是提高Ti-22Al-25Nb合金的显微硬度的关键因素。
图9
图9
经不同固溶时间+800℃/8 h/FC时效后合金的显微硬度
Fig.9
Hardness of alloy after different solution time+800℃/8 h/FC aging treatment
图10
图10
固溶+时效合金显微硬度的演变模型
Fig.10
Microhardness evolution model of solution+aging alloy (a) 940~1000℃, (b) 1010~1060℃ and (c) 1070~1100℃
3 结 论
(1) 随着固溶温度的提高和保温时间的延长,Ti-22Al-25Nb合金中B2相的晶粒尺寸增大,经940℃/10 min/WC+800℃/8 h/FC处理后最小的晶粒尺寸为40.12 μm。在940~1010℃(α2+B2+O)三相区固溶处理后晶粒尺寸的增长速率最低;在1030~1100℃处理后晶粒尺寸增长速率最高。
(2) 在固溶+时效过程中,初生α2/O相体积分数减小而次生O相体积分数增加。保持固溶时间一定则晶粒尺寸的均匀度随着固溶温度的提高而提高,固溶温度达到1100℃时晶粒尺寸均匀度达到最大值0.84。
(3) Ti-22Al-25Nb合金在(B2+O)两相区时效处理后生成双态组织和魏氏体组织,在B2基体内更细的次生板条O相和O/O组织可极大地提高合金的显微硬度。
(4) 在940~1000℃固溶强化占主要作用,随着温度的提高显微硬度缓慢提高;在1010~1060℃析出物强化占主要作用,随着温度的提高显微硬度急剧提高;在1070~1100℃晶粒长大明显,随着温度的提高显微硬度降低,经1060℃/60 min/WC+800℃/8 h/FC固溶+时效处理后显微硬度达到最大值434.92 HV。