近α型高溫鈦合金是制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要結(jié)構(gòu)材料，在其設(shè)計(jì)使用溫度下具有超過(guò)高溫合金和鋼的比強(qiáng)度，適合用來(lái)制造高溫服役條件下的各類靜子件和轉(zhuǎn)子件。IMI834合金[國(guó)內(nèi)牌號(hào)為Ti150]是IMI公司和羅羅公司聯(lián)合研制的一種600℃高溫鈦合金，已在Trent700、EJ200、PW350等發(fā)動(dòng)機(jī)上成功應(yīng)用。從20世紀(jì)80年代至今，眾多研究

人員對(duì) Ti150合金的合金元素作用機(jī)制、組織演變[7-10[、晶體取向分布[11-13[、力學(xué)性能及變形行為特征[14-16]等進(jìn)行了較為全面和深入的研究。

為獲得滿足設(shè)計(jì)要求的力學(xué)性能，需通過(guò)熱加工和熱處理來(lái)調(diào)控鍛件的宏、微觀組織和晶體取向分布。雙態(tài)組織Ti150合金的強(qiáng)塑性及高溫蠕變持久性能具有良好匹配。Singh等[17]對(duì)初生α相含量與拉伸變形行為的相關(guān)性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)隨著固溶溫度的降低，初生α相體積分?jǐn)?shù)和尺寸均增加，β轉(zhuǎn)變組織的尺寸和α板條厚度均減小，加工硬化率

持續(xù)增加，但強(qiáng)度先增加后降低，因此需選擇合適的固溶溫度以獲得適當(dāng)比例的初生α相。α-Ti為密排六方結(jié)構(gòu)[hcp]，不同方向上的變形能力存在明顯差異，因此織構(gòu)對(duì)近a型高溫鈦合金的力學(xué)性能有著顯著影響。Torster等研究了織構(gòu)類型對(duì) Ti150合金高溫拉伸性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)α相的[0002]晶面形成與加載方向垂直的集中取向時(shí)，拉伸強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度均較高。隨著電子背散射衍射[EBSD]等檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，局部晶體取向分布均勻性對(duì)鈦合金力學(xué)性能的影響得到越來(lái)越多的關(guān)注。Gey等對(duì)IMI834合金鍛件不同區(qū)域的晶體取向分布進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)鍛件不同位置的織構(gòu)和微織構(gòu)均存在較為明顯的差異;分析不同區(qū)域的變形過(guò)程，發(fā)現(xiàn)較大的壓縮變形量可弱化織構(gòu)和微織構(gòu)。由于大規(guī)格鈦合金鍛件中不同位置的變形量差異較大，因此必然存在不同程度的微織構(gòu)問(wèn)題。隨著研究的深入和鍛造工藝水平的提高，高溫鈦合金鍛件組織均勻性逐步改善，研究重點(diǎn)向精細(xì)的晶體取向控制方面發(fā)展，尤其是隨著保載疲勞性能研究的深入[19-21]，高溫鈦合金鍛件中的微織構(gòu)受到越來(lái)越多的重視。這些研究集中于微織構(gòu)的表征、形成機(jī)理及其對(duì)疲勞失效行為的影響，針對(duì)微織構(gòu)與宏微觀組織的關(guān)聯(lián)性及其對(duì)拉伸性能影響的研究較少。

以Ti150合金鍛件為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)鍛件典型區(qū)域的宏微觀組織、晶體取向分布、室溫和600℃拉伸性能進(jìn)行對(duì)比研究，揭示微織構(gòu)與宏微觀組織、拉伸性能之間的關(guān)系，以期為進(jìn)一步優(yōu)化鍛造工藝、實(shí)現(xiàn)組織性能的精準(zhǔn)控制提供依據(jù)。

1、實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為經(jīng)3次真空自耗電弧熔煉的Ti150合金鑄錠，名義成分為Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.5Mo-0.7Nb-0.35Si-0.06C[質(zhì)量分?jǐn)?shù)，w/%]。Ti150合金鑄錠經(jīng)單相區(qū)開坯、兩相區(qū)多火次鍛造后，制成Φ230mm棒材。棒材經(jīng)兩相區(qū)改鍛、制坯，最終得到形狀及尺寸如圖1所示的鍛件。鍛件在1030℃保溫2h后油冷，然后在700℃保溫2h后空冷，獲得雙態(tài)組織。

對(duì)鍛件縱剖面進(jìn)行宏微觀組織及晶體取向分析。首先對(duì)鍛件縱剖面進(jìn)行低倍組織觀察，然后選邊緣、弧面和心部3個(gè)位置進(jìn)行金相組織觀察和晶體取向分析。低倍組織試樣采用HF、HNO₃、H₂O混合溶液[體積比1:2:50]進(jìn)行腐蝕。金相試樣表面經(jīng)2000#砂紙精磨、SiO₂乳濁液拋光處理后，采用HF、HNO₃、H₂O混合溶液[體積比1:2:80]進(jìn)行浸蝕。在金相試樣基礎(chǔ)上反復(fù)進(jìn)行“腐蝕-拋光”，以消除表面應(yīng)力層。采用掃描電子顯微鏡[SEM]附帶的電子背散射衍射儀[EBSD]探頭逐點(diǎn)采集試樣的晶體取向信息，利用 Channel 5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

在鍛件邊緣、弧面和心部 3個(gè)位置沿弦向[TD]切取拉伸試樣，測(cè)試室溫和 600℃拉伸性能。拉伸試樣平行段直徑為 5 mm,標(biāo)距長(zhǎng)度為 30 mm,拉伸過(guò)程中屈服前變形速率為0.005 min^-1，屈服后變形速率為0.05 min^-1。

2、結(jié)果與討論

2.1低高倍組織

Ti150合金鍛件縱剖面低倍組織為典型的模糊晶組織，如圖2所示。鍛件縱剖面中部區(qū)域有較為明顯的“S”形鍛造流線，靠近鍛件外緣輪廓區(qū)域的流線特征不明顯。

對(duì)圖1所示鍛件邊緣、弧面和心部3個(gè)典型位置的金相組織進(jìn)行觀察，結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，鍛件邊緣、弧面和心部均為雙態(tài)組織，等軸狀初生α相均勻分布于β轉(zhuǎn)變組織基體上，體積分?jǐn)?shù)均在15%左右。采用割線法測(cè)得3個(gè)位置的原始β晶粒尺寸為 80~95μm。

從圖3還可以看出，邊緣和弧面處β轉(zhuǎn)變組織中的α板條呈編織排列，心部 β轉(zhuǎn)變組織中α板條呈集束狀，貫穿整個(gè)晶粒;3個(gè)位置次生α板條厚度沒有明顯差異。

2.2晶體取向

Ti150合金鍛件3個(gè)典型位置的EBSD分析結(jié)果見圖4。由圖4a、4b可見，鍛件邊緣和弧面位置的晶粒取向分布較為均勻，未見明顯的取向相近晶粒聚集。從圖4c可見，取向相近晶粒聚集而成的條帶[圖中黑色虛線所示區(qū)域]長(zhǎng)度可達(dá)2mm左右，寬度約500μm。此類條帶即為“宏區(qū)”[Macro-zone]，表明組織中存在較強(qiáng)的微織構(gòu)。

由反極圖[inverse pole figure,IPF]可見，不同

位置的織構(gòu)強(qiáng)度相當(dāng)，最大極密度約為2，但晶體集中取向存在差異，邊緣位置主要為[0001]平行于弦向的集中取向，弧面和心部位置的晶體存在多個(gè)集中取向，且心部位置的集中取向更多元化。對(duì)心部各個(gè)“宏區(qū)”的弦向反極圖進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。從圖5可見，不同“宏區(qū)”的晶體取向存在明顯差異，A區(qū)為0110與弦向接近平行的集中取向，B區(qū)為[0001]。基本平行于弦向的集中取向，C區(qū)為[1210]。接近平行于弦向的集中取向。

2.3 拉伸性能

表1和表2分別是Ti150合金鍛件不同位置的室溫和高溫[600℃]拉伸性能。從表1可以看出，鍛件邊緣的室溫強(qiáng)度最高，弧面位置次之，心部最低，心部與邊緣的強(qiáng)度差可達(dá)80 MPa以上。600℃拉伸性能也表現(xiàn)出相近規(guī)律，但不同位置的強(qiáng)度差值較室溫明顯收窄。

表1 Ti150合金鍛件不同位置的室溫拉伸性能

Table 1 Room temperature tensile properties in different locations of Ti150 alloy forging

表2 Ti150合金鍛件不同位置的600℃拉伸性能

Table 2 Tensile properties at 600℃ in different locations of Ti150 alloy forging

2.4微織構(gòu)對(duì)顯微組織的影響

β轉(zhuǎn)變組織是固溶熱處理后的β相在冷卻過(guò)程中發(fā)生β→α相變形成的，該相變屬于擴(kuò)散型固態(tài)相變，經(jīng)歷形核和長(zhǎng)大過(guò)程。因此，β轉(zhuǎn)變組織中的板條形態(tài)受冷卻速率影響較大，在快速冷卻條件下，長(zhǎng)大過(guò)程被抑制，容易形成方向不同的細(xì)α板條，

反之則容易形成較為粗大的α板條集束。本研究中，不同金相試樣的取樣位置與鍛件表面的距離相同，固溶處理后冷卻速率接近，因此α板條厚度未見明顯差異，但排列方式卻存在明顯差異，表明3個(gè)不同位置的原始β晶粒在β→α相變過(guò)程中發(fā)生了不同的變體選擇。

β→α相變生成的α相與β母相保持如下 Burgers取向關(guān)系:{110}β/{0001}，<111>β//<1120>。，因此，同一β相轉(zhuǎn)變形成的α相可能存在12種不同取向的變體。理想情況下，相變過(guò)程形成的α板條取向均勻隨機(jī)，而實(shí)際相變過(guò)程中，新生成的α板條取向會(huì)受到初生α相取向的影響,通常會(huì)形成與其相近的取向。此外，相鄰β相晶粒取向相近時(shí)，為使界面能量最低，晶粒中的次生α相傾向于形成相近取向，若原始β晶粒存在較強(qiáng)的微織構(gòu)，則會(huì)遺傳至β轉(zhuǎn)變組織22,23。由此可見，圖4c中的“宏區(qū)”即微織構(gòu)的形成是初生α相取向以及由此引起的次生α相變體擇優(yōu)選擇的結(jié)果。結(jié)合擴(kuò)散型相變的特點(diǎn)，變體選擇導(dǎo)致其他變體的析出被抑制，取向單一的次生α相形核、長(zhǎng)大，最終形成貫穿整個(gè)原始β晶粒的a集束。邊緣和弧面位置的“宏區(qū)”尺寸明顯較小[圖4a、4b]，表明α相取向分布相對(duì)分散，與之對(duì)應(yīng)的是β轉(zhuǎn)變組織內(nèi)形成編織排列的次生α相;而心部“宏區(qū)”尺寸明顯較大[圖4c]，表明存在較強(qiáng)微織構(gòu)，“宏區(qū)”內(nèi)取向相近的α相相對(duì)集中，誘發(fā)β轉(zhuǎn)變組織內(nèi)形成平行排列的集束狀次生α相。

2.5微織構(gòu)對(duì)拉伸性能的影響

根據(jù)Hall-Petch關(guān)系，材料的屈服強(qiáng)度與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)至界面發(fā)生塞積所經(jīng)過(guò)的距離有關(guān)，一般認(rèn)為該距離為晶粒直徑或多邊形化的線尺寸。如果存在晶粒取向相近的“宏區(qū)”，位錯(cuò)在一個(gè)“宏區(qū)”中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力有限，不足以形成較強(qiáng)的塞積，直至

運(yùn)動(dòng)到晶粒取向與該“宏區(qū)”取向差異較大的界面處才能形成較強(qiáng)的塞積，因此，單個(gè)“宏區(qū)”可被認(rèn)為是一個(gè)變形單元，與單個(gè)晶粒等效。由于鍛件心部存在的“宏區(qū)”寬度可達(dá)500μm左右[圖4c]，明顯高于正常等軸α相的晶粒尺寸，因此可認(rèn)為心部存在粗大晶粒，導(dǎo)致其拉伸性能明顯低于邊緣和弧面區(qū)域。

此外，當(dāng)雙態(tài)組織由等軸初生α相與編織狀β轉(zhuǎn)變組織組成時(shí)，單個(gè)α板條可視為一個(gè)變形單元，位錯(cuò)穿過(guò)一個(gè)α板條后在下一板條界面處即可形成較強(qiáng)的位錯(cuò)塞積，導(dǎo)致屈服強(qiáng)度增大。較強(qiáng)的微織構(gòu)導(dǎo)致α板條形成集束狀，當(dāng)雙態(tài)組織由等軸初生α相與集束狀次生α相組成時(shí)，平行排列的α板條集束因其具有相同晶體取向可視為一個(gè)晶粒，因此α板條集束可被視為是一個(gè)變形單元，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)至不同取向的α板條集束界面時(shí)才能形成較強(qiáng)塞積，導(dǎo)致強(qiáng)度偏低。

Ti150合金鍛件不同位置的高溫拉伸強(qiáng)度差異低于室溫拉伸強(qiáng)度差異，主要是由于隨著拉伸溫度的不同取向的α板條集束界面時(shí)才能形成較強(qiáng)塞積，導(dǎo)致強(qiáng)度偏低。a滑移、柱面a滑移和錐面a+c滑移是最容易開動(dòng)的3個(gè)滑移系，室溫下，基面a滑移和柱面a滑移的CRSS顯著低于錐面a+c滑移，相差幅度可達(dá)數(shù)倍，開動(dòng)的滑移系較少，微織構(gòu)強(qiáng)的區(qū)域變形不協(xié)調(diào)，與微織構(gòu)弱的區(qū)域強(qiáng)度差異較大;而在高溫下，3個(gè)滑移系的CRSS接近，啟動(dòng)的滑移系數(shù)目增加，微織構(gòu)影響減弱。因此，Ti150合金鍛件不同位置拉伸強(qiáng)度的差異可以通過(guò)微織構(gòu)差異得到合理解釋。

3、結(jié)論

[1] Ti150合金鍛件為雙態(tài)組織，邊緣和弧面位置的β轉(zhuǎn)變組織由編織狀排列的α板條組成，而心部位置的β轉(zhuǎn)變組織由α板條集束組成。

[2] Ti150合金鍛件邊緣和弧面位置的微織構(gòu)較弱，靠近心部位置的微織構(gòu)較強(qiáng)，表現(xiàn)為由相近晶體取向晶粒聚集而成的條帶狀“宏區(qū)”。

[3] Ti150合金鍛件中微織構(gòu)的強(qiáng)弱對(duì) β →  α相變過(guò)程中α相的變體選擇有明顯影響。微織構(gòu)強(qiáng)的區(qū)域易形成α板條平行排列的集束狀β轉(zhuǎn)變組織，微織構(gòu)弱的區(qū)域易形成α板條編織排列的β轉(zhuǎn)變組織。

[4] Ti150鍛件心部存在的“宏區(qū)”[即微織構(gòu)]和 β轉(zhuǎn)變組織中的集束狀次生α相均相當(dāng)于粗大晶粒，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)距離增大，導(dǎo)致鍛件心部位區(qū)域的強(qiáng)度明顯低于邊緣和弧面區(qū)域。

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（注，原文標(biāo)題：微織構(gòu)對(duì)Ti150合金鍛件拉伸性能的影響）