赵子博
, 王国强
ZHAO Zibo, WANG Guoqiang
中图分类号: TG146
文章编号: 1005-3093(2017)10-0796-05
通讯作者:
收稿日期: 2016-10-24
网络出版日期: 2017-10-20
版权声明: 2017 《材料研究学报》编辑部 《材料研究学报》编辑部
作者简介:
作者简介 赵子博,男,1986年生,博士生
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摘要
利用EBSD研究了β单相区锻造Ti-6246饼坯的显微组织和晶体取向。结果表明,β锻造的Ti-6246合金有网篮组织,原始β晶粒沿着金属的流动方向拉长。β相呈现<100>β与饼坯压缩方向平行的强丝织构。次生α相的织构类型与β相符合Burgers取向关系。当相邻原始β晶粒具有相近<110>方向时,在该β/β晶界两侧析出的次生α相的晶体c轴将沿着这一共同的<110>方向,即发生变体选择,导致α相在{0001}极图上的最大织构密度明显高于β相在(110)极图上的最大织构密度。
关键词：
Abstract
The microstructure and texture of β forged Ti-6246 biscuit were studied using optical microscope (OM) and electron backscattered diffraction (EBSD). It is found that a mesh-basket like microstructure with elongated β-phase grains along the metal flow direction was formed after forging the Ti-6246 biscuit in β-phase state. The β-phase presented a strong <100> fiber texture parallel to the deformation direction. The texture components of transformed α-phase are controlled by the parent β-phase, but the intensity of the transformed α-phase is influenced by variant selection. The variant selection, the α-phase colonies with a common c-axis often situated at the prior β-phase boundary when the neighboring β-phase grains share a common {110} plane, is one of the important reasons for the strengthened α-phase texture intensity.
Keywords：
Ti6246(Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo)合金是一种α+β两相钛合金,主要用于制造燃气涡轮发动机的压气机叶盘和风扇叶片等中温部件[1-5]。相比于其他α+β两相钛合金,如TC4[2],Ti6242[6-8]和BT25[9]等,该合金具有更高的强度和韧性,但是其β稳定元素Mo的含量较高,高温蠕变性能较差。为了提高该合金的蠕变性能,该合金多选用β锻造以得到网篮组织。
显微组织和织构,是影响金属材料机械性能的两个重要因素。钛合金中密排六方结构的α相具有较强的各向异性,其力学性能对织构较为敏感[10-15]。目前针对该类合金显微组织和机械性能关系的研究较多,但是对织构的研究和认识尚不充分。研究钛合金中的织构及其形成原因,能更深刻的认识钛合金的组织演变规律。本文应用电子背散射衍射(EBSD)技术研究经β单相区锻造Ti6246合金中的织构,探讨该合金织构的形成原因和影响因素。
实验用材料为β单相区成形的Ti6246合金锻饼,其名义成分(质量分数,%)为Ti-6.08-2.05Sn-4.02Zr- 6.06Mo-0.05Si-0.02Fe。该合金的Tβ相变点为935℃。将坯料在α+β两相区改锻后,在1500吨水压机上镦饼成形,坯料的加热温度为965℃。成形前坯料的直径约为200 mm,高440 mm,成形后饼坯的直径约为420 mm,高100 mm,变形量约75%。将成形后的饼坯在900℃热处理,用金相显微镜和EBSD对饼坯变形中心区域的显微组织和织构进行检测,并对EBSD数据进行深入分析。文中锻造变形方向标记为FD,饼坯直径方向标记为RDi。
如图1所示,热处理后饼坯中心部位的显微组织为片层组织。原始β晶粒沿着金属的流动方向伸长,在晶界处有不连续的晶界α相。部分拉长的原始β晶粒晶界呈锯齿状,在原始β晶界附近有部分次生α集束,晶内析出的次生α相多为网篮状。次生α相片层间隙间为β相,含量约为15%。
图2给出了EBSD扫描区域的菊池线衬度图以及α相、β相的取向图。一般地,片层组织的α+β两相钛合金的间隙β相宽度较小,EBSD对β相的标定率较低且误标率高,因此EBSD直接测得β相的晶体取向不能作为研究原始β晶粒晶体取向和织构的实验依据。但是本文实验所用合金组织中β相的含量较高且片层间隙β相的宽度较大,EBSD扫描区域β相呈闪点状均匀分布(图2c),经验证实验测得β相的晶体取向与周围次生α相符合Burgers取向关系(图3)。因此,本实验得到的β晶粒的取向可以代表原始β晶粒的晶体取向并可以用β相的取向数据计算材料的织构。由图2c可见,实验测得间隙β相沿锻造方向在取向图中的取向多以“红色”和“蓝色”为主,意味着组织中原始β晶粒具有较强的织构。
图2 Ti6246合金饼坯的菊池线衬度图以及α相和β相的取向图
Fig.2 Band contrast map (a) and inverse pole figure maps of α phase (b) and β phase (c) in forging driection (FD) for Ti6246 biscuit
图3 EBSD测得
Fig.3 EBSD result of {0001}/{11-20} pole figure of α phase (a) and (110)/(111) pole figure of β phase (b) within a some prior β grain marked by white box in
在β→α转变过程中α相的晶体取向受β相的控制,子相α与母相β之间符合Burgers取向关系：{0001}α//(110)β; <11-20>α//<1-11>β。一种取向的β晶粒可析出12种不同取向的次生α变体,但是由图2(a,b)可见,次生α相的晶体取向在沿锻造方向的取向图中多以“粉红色”和“浅绿色”为主。同一原始β晶粒内往往一种取向的次生α相占优,而其他取向的次生α相含量较少,并且不同原始β晶粒内可析出相近取向的次生α相。不同原始β的这种现象,意味着在β→α转变过程中子相α相存在的变体选择,并且组织中的次生α也存在较强的织构。
图4给出了EBSD扫描区域β相和α相的极图。可以看出,组织中β相存在<100>与饼坯变形方向平行的强丝织构,其织构密度为19.86(图4a)。β相的(110)面主要沿与饼坯变形方向呈45°和90°(径向)环形区域内分布,在(110)极图上的最强织构出现在(110)面与饼坯变形方向呈45°的某个位置,密度为5.2。β相的(111)极图上呈现晶体(111)面与饼坯变形方向~60°的环形区域内呈现最大织构密度为8.9的织构,并且存在<111>与饼坯变形方向平行,织构密度3.01的弱织构。次生α相在{0001}和{11-20}极图上的织构类型与β相的(110)和(111)极图,符合Burgers取向关系(图4b),但是其密度分布有较大的差异。在{0001}极图上,α相最强织构呈现在晶体c轴与饼坯变形方向呈45°和90°的环形区域内,其最强织构出现在晶体c轴与饼坯某一径向平行的位置,其密度为7.53。{11-20}极图呈现晶体<11-20>方向与饼坯变形方向平行,织构密度为4.81的织构。{10-10}极图上无明显特征织构。
β相(110),(111)极图与α相{0001}、{11-20}织构密度间的差异表明,在β→α转变过程中12种次生α变体并非等效析出,而是存在着α相的变体选择。近年来,Bhattacharyya[16]等的研究发现,在β相→α相转变过中,当相邻的原始β晶粒存在一共同或相近的<110>方向时,β/β晶界两侧析出的次生α相的<0001>方向将与β相的这一共同的<110>方向相同,即发生α相的变体选择。在热处理后的Ti6246饼坯中也有α相的变体选择现象。如图5所示,EBSD测得原始β晶粒β1和β2(图5a)间的取向差为<30-4>~26°,但两原始β晶粒存在一相近(110)面(图5d)。由β1和β2原始β晶界两侧析出次生α相的取向图(图5b)和极图(图5e)可见,虽然β1和β2晶界两侧同一原始β晶粒内的6种不同{0001}取向α变体均有析出,但是<0001>方向与两原始β晶粒有相近<110>方向平行的α变体(图5c,f)确占据较大的体积,~63%。
图5 Ti6246合金中的变体选择
Fig.5 Variant selection of α phase in Ti6246 alloy (a) Band contrast map of α phase within β1 and β2, and the grian boundary of β1 and β2 highlighted. (b) IPF map of α phase within β1 and β2. (c) IPF map of some special α varaiants with the c-axis parallel to common (110) of β1 and β2 (see
为了对比变体选择对α相转变织构的影响,使用实验所得β相的晶体取向数据假定在β→α转变过程中12种次生α变体变体均等体积析出,即无变体选择时的α相的织构,结果如图6所示。由图6可见,无变体选择时α相转变织构与β相织构(图3a)符合Burgers取向关系,但其织构密度较实测偏低。α相在{0001}和{11-20}面的最大织构密度分别为6.05和4.21,均低于实测结果(图4b)。这表明,α相的变体选择导致了次生α相{0001}极图与原始β晶粒(110)极图密度的差异,也提高了次生α相的织构密度。
图6 计算所得无变体选择时α相的织构
Fig.6 Calculated α texture without α variant selection from the measured β orientation in
(1) 经β单相区锻造和α+β两相区热处理,Ti6246饼坯可得到具有少量变形晶界α相的网篮组织。β锻造的Ti6246合金中β相呈现强(100)丝织构,α相最强织构呈现在晶体c轴与饼坯变形方向呈45°和90°的环形区域内。
(2) α相{0001}/{11-20}与β相(110)/(111)的织构类型符合Burgers取向关系,但是其密度不同。在β相→α相转变过程中,α相的变体选择是产生这种差异的重要原因。
The authors have declared that no competing interests exist.
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