金属学报, 2019, 55(6): 741-750 DOI: 10.11900/0412.1961.2018.00460

α+β两相钛合金元素再分配行为及其对显微组织和力学性能的影响

黄森森1,2, 马英杰,1, 张仕林1, 齐敏1, 雷家峰1, 宗亚平2, 杨锐1

1. 中国科学院金属研究所 沈阳 110016

2. 东北大学材料科学与工程学院 沈阳 110819

Influence of Alloying Elements Partitioning Behaviors on the Microstructure and Mechanical Propertiesin α+β Titanium Alloy

HUANG Sensen1,2, MA Yingjie,1, ZHANG Shilin1, QI Min1, LEI Jiafeng1, ZONG Yaping2, YANG Rui1

1. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China

2. School of Materials Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China

通讯作者: 马英杰,yjma@imr.ac.cn,主要从事钛合金强韧化机制的研究

责任编辑: 李海兰

收稿日期: 2018-10-08   修回日期: 2018-11-12   网络出版日期: 2019-05-28

基金资助: 中国科学院B类先导专项项目.  No.XDB06050100
国家重点研发计划项目.  Nos.2016YFC0304201
国家重点研发计划项目.  2016YFC0304206
国家自然科学基金项目.  No.51871225

Corresponding authors: MA Yingjie, Tel: 13840026329, E-mail:yjma@imr.ac.cn

Received: 2018-10-08   Revised: 2018-11-12   Online: 2019-05-28

Fund supported: Strategic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences.  No.XDB06050100
National Key Research and Development Program of China.  Nos.2016YFC0304201
National Key Research and Development Program of China.  2016YFC0304206
National Natural Science Foundation of China.  No.51871225

作者简介 About authors

黄森森,男,1990年生,博士生

摘要

研究了两相区固溶温度及固溶后冷速对Ti-6Al-4V (TC4)合金元素再分配行为的影响,利用EPMA技术表征了初生α相(αp)以及β转变区域(βt)的元素浓度,考察了βt显微组织尺寸随固溶温度及元素浓度的变化。结果表明:随着固溶温度升高,βt区域元素浓度变化显著,表现为Al含量升高、V含量降低,而αp晶粒中元素浓度变化较小,导致两区域元素浓度差异减小;同一固溶温度下,以不同冷却方式(水冷、空冷及炉冷)冷却的显微组织及元素分布显示,冷却速率越低,αp比例越高,αpβt之间元素浓度差异越明显。合金经固溶水冷、空冷后,βt分别为淬火马氏体、次生α相(αs)+残余β相,2种冷速下βt的显微组织尺寸均与高温β相内的元素浓度水平有关,即βt内部显微组织尺寸受固溶温度的显著影响。利用纳米压痕技术表征了不同固溶温度下微区域(αpβt)的力学特征,结果表明,密排六方(hcp)晶格αp本身呈现的力学行为的各向异性对其纳米压痕性能起决定性作用,而βt的弹性模量及硬度主要受αs片层尺寸的影响。最后讨论了“固溶温度-微区元素浓度-微区显微组织-微区力学性能”之间的关系。

关键词: α+β钛合金 ; 元素再分配 ; 显微组织 ; 纳米压痕

Abstract

During the thermal treatments of α+β titanium alloys in (α+β) phase field, alloying element partitioning effect takes place accompanying with the αβ transformation, which results in the segregation of α stabilizing elements (Al, O) and β stabilizing elements (V, Mo, etc.) into the corresponding phases respectively. The element partitioning effect will further affect the microstructure characteristics (phase constitution, microstructure size), plastic deformation modes and the final mechanical properties of the alloy. In this work, the influences of solution temperature and cooling rate on the element partitioning behavior during solution process of Ti-6Al-4V alloy in (α+β) phase field were investigated. The element concentrations in primary α phase (αp) and β transformed region (βt) were characterized by EPMA technique. The microstructural variation of βt with respect to solution temperature was analyzed. It was found that βt showed an obvious increase of Al content and decrease of V content with the increasing of solution temperature, while the αp exhibited less noticeable change, which led to the reduction of concentration difference between the two phases. Under the same solution temperature, the microstructures and element distributions at different cooling rates (water quenching, air cooling, furnace cooling) were exhibited. The slow cooling processing especially furnace cooling would induce higher volume fraction of αp phase and more pronounced element partitioning. The microstructural characteristics of βt cooled from different solution temperatures were further analyzed. During the water or air cooling process, the transformations of β→matensite/αs happened, and the sizes of martensite or αs were postulated to be dependent on the element concentration of β phase. The properties of local microstructure (αp, βt) were further measured by nanoindentation. It indicates that the intrinsically anisotropic character of the hexagonal crystal structure (hcp) of the αp phase has decisive consequences for the properties, while the elastic modulus and hardness of βt calculated by nanoindentation are mainly dominated by the width of αs lamellas. On the basis of the above results, the relationship between solution temperature, element concentration of local microstructure, microstructure size and mechanical properties of local microstructure was finally discussed.

Keywords: α+β titanium alloy ; alloying element partitioning ; microstructure ; nanoindentation

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本文引用格式

黄森森, 马英杰, 张仕林, 齐敏, 雷家峰, 宗亚平, 杨锐. α+β两相钛合金元素再分配行为及其对显微组织和力学性能的影响. 金属学报[J], 2019, 55(6): 741-750 DOI:10.11900/0412.1961.2018.00460

HUANG Sensen, MA Yingjie, ZHANG Shilin, QI Min, LEI Jiafeng, ZONG Yaping, YANG Rui. Influence of Alloying Elements Partitioning Behaviors on the Microstructure and Mechanical Propertiesin α+β Titanium Alloy. Acta Metallurgica Sinica[J], 2019, 55(6): 741-750 DOI:10.11900/0412.1961.2018.00460

钛合金具有比强度高、抗腐蚀性好等优点,被广泛应用于航空航天及海洋工程等领域[1,2]。其中(α+β)两相钛合金,既具有α型合金的热稳定性,又兼有β型合金的热处理强化的特点,呈现出良好的综合性能,是目前应用最广泛的钛合金,这其中又以Ti-6Al-4V (TC4)合金最为典型。通常采用热加工或者热处理等工艺方式,调控两相钛合金相比例、显微组织尺寸等参数来优化合金的力学性能[3,4]。将两相钛合金置于α+β相区热处理时,伴随显微组织的演化,合金元素的再分配同时进行,即α稳定元素(如Al)和β稳定元素(如V)分别在α (hcp)、β (bcc)相内偏聚,导致两相中元素含量与合金的名义成分有较大差异[3,5]

两相钛合金的相变与αβ两相元素再分配行为密切相关[6,7,8,9,10]。Semiatin等[8]研究了Ti-6Al-4V合金在两相区固溶并以不同冷速冷却至特定温度过程中初生α相的比例、尺寸及次生α相的析出规律,结果表明,冷却过程中初生α相的生长行为受Al (V)元素扩散控制,而析出的次生α片层尺寸受β相中元素浓度的影响。Popov等[9]指出,淬火温度显著影响VT16合金(Ti-3Al-4.5V-5.0Mo)淬火马氏体的晶格参数及相尺寸,而这主要与β相内稳定元素含量变化有关。宋淼等[10]研究了冷却速率对Ti-5.8Al-3Mo-1Cr-2Sn-2Zr-1V-0.15Si合金组织及性能的影响,表明β相的比例、形貌与固溶后冷却速率密切相关,且β相内元素浓度变化进一步影响次生α相的尺寸。

两相钛合金元素分配效应会进一步影响合金中αβ 2种相结构单元显微特征、塑性变形方式及合金的最终力学性能。钛合金中的α相主要通过Al原子固溶以及时效析出共格Ti3Al-α2粒子进行强化。两相区固溶热处理过程中,元素分配将导致Al在α相内富集,提高Al的固溶强化作用。有研究[11]指出,在考虑α相各向异性的前提下,随固溶温度的升高,α相的模量、硬度升高,这即是由于α相中Al含量升高导致。此外,α2相能够显著抑制α-Ti中形变孪晶,其在时效过程中的析出及长大行为也主要与Al含量有关[12],因此α2相也受元素分配效应的影响。两相钛合金中β相的塑性变形方式与β相稳定性有关,而β相稳定性由β相内元素含量(Mo、V等)决定,因此β相的塑性变形方式也必将受元素分配效应的影响。例如,针对双相钛合金Ti-3Al-5Mo-4.5V的研究[13,14]表明,调节α+β两相区热处理温度可以实现对β相元素浓度、β相稳定性、塑性变形方式及力学性能的调控,使β相的塑性变形由单一的滑移转变为多种方式并存(滑移、应力诱发马氏体、形变孪晶),最终显著提升合金的加工硬化能力及塑性。

以上研究表明,两相钛合金的元素分配效应对其显微组织及力学性能有明显影响。通过钛合金平衡相图,虽然理论上可以获得不同温度下αβ两相的比例及平衡元素浓度,然而实际热处理过程中材料难以达到热力学平衡状态。因此针对不同热处理条件下αβ两相元素分配效应的实验研究十分必要。国内外现有针对两相钛合金不同微区元素分配研究主要围绕相场模拟计算以及部分热处理参数的影响[15,16],缺乏相关的实验研究。

本工作利用电子探针(EPMA)技术,表征了两相区不同固溶温度及冷却速率下TC4合金中初生α相(αp)以及β转变区域(βt) Al、V元素含量的变化,重点分析了高温β相元素浓度的变化对β转变组织形貌、尺寸的影响;利用纳米压痕技术测试了微区域(αpβt)的力学性能,进一步讨论了元素分配对微区力学性能的影响。本研究旨在深化对两相钛合金元素再分配规律的理解,揭示“热处理-微区元素浓度-微区显微组织-微区力学特征”的内在关联,同时为调控两相钛合金显微组织、优化合金力学性能提供理论依据。

1 实验方法

通过三次真空自耗熔炼制备了50 kg级TC4两相钛合金铸锭,合金化学成分(质量分数,%,下同)为:Al 6.12,V 4.20,Fe 0.06,O 0.15,N 0.0056,H 0.0014,Ti余量。利用连续升温金相法测定合金的相变点Tβ (α+ββ)为(990±5) ℃。为考察固溶温度及冷却速率对元素再分配行为的影响,切取长宽高均为15 mm的热处理试块,进行以下3组热处理:(1) 在880~1000 ℃之间(以20 ℃为间隔)进行固溶处理,保温30 min后水淬;(2) 在880~960 ℃之间(以20 ℃为间隔)进行固溶处理,保温30 min后空冷;(3) 在880 ℃固溶30 min后炉冷。热处理试样经研磨、抛光、腐刻后,利用S-3400N扫描电镜(SEM)观察合金显微组织;利用Smartlab X射线衍射仪(XRD)分析合金的相组成;利用JXA-8530F EPMA定性、定量表征Al、V元素在αpβt的分布及含量,工作电压15 kV,束流1×10-8 A,束斑尺寸小于1 μm,并且为了避免αp的定量结果受周边βt的影响,选择在较大尺寸的αp晶粒中测量其中心元素含量;利用Oxford C-Nano电子背散射衍射(EBSD)探头表征组织中αp的晶体取向;利用Nano Identer G200纳米压痕仪测试微区域的力学性能。

2 实验结果与分析

2.1 α+β两相区固溶条件下的元素再分配行为

2.1.1 固溶温度的影响

TC4合金铸锭依次经过多火次的β单相区、α+β两相区锻造变形,获得均匀的等轴组织(图1a),该组织由等轴状αp与晶间βt组成,其中αp比例约为90% (体积分数),平均等效圆直径约为10 μm。TC4合金原始组织中不同区域的元素浓度分布如图1b和c。可以看出,合金原始组织中的不同区域元素浓度差异显著,αp内的Al含量较高、V含量较低,而βt内V含量较高、Al含量较低。测得原始组织中等轴αp成分(质量分数,下同)为6.69%Al、2.03%V,βt基体的成分为1.88%Al、22.08%V。此外,从图1b还可以看出,单个αp晶粒内的Al含量明显不同,靠近αp/βt相界处的Al含量更低,中心Al含量更高。图1c显示V在αp晶粒内的分布情况与Al相反。该结果表明,元素浓度在αp/βt相界处应存在一定的过渡区域。

图1

图1   TC4合金原始组织及其中Al、V元素的面分布

Fig.1   Back scattered electron (BSE) image of microstructure (a) and corresponding element concentration distributions of Al (b) and V (c) of the as-received TC4 alloy (The color scales represent element concentration, with red referring to high, while blue low contents)

Color online


在880~1000 ℃之间(以20 ℃为间隔)进行固溶处理,保温30 min后水淬,采用水淬方式的目的是使αpβt两相区域的元素分布保持或者接近高温固溶状态。图2给出了960 ℃固溶水淬条件下,TC4合金的显微组织及对应的Al、V元素线扫描分布。可以看出,合金经(α+β)两相区热处理后元素再分配现象明显,从αpβt,Al含量逐渐降低,V含量逐渐升高,而从βtαp,元素浓度变化规律相反,并且线扫描结果也证实元素浓度在αp/βt相界处存在一定的过渡区域。利用点测方式,表征了不同固溶温度下αpβt中的元素定量分析,结果如图3所示。可以看出,两相区固溶温度对αpβt之间的元素再分配具有影响,其中对βt元素浓度的影响更为显著。随着固溶温度升高,βt中Al含量升高,V含量显著降低,而αp中元素浓度变化较小,其中V含量略有降低,而Al含量基本不变。

图2

图2   经960 ℃固溶水冷处理后,TC4合金的显微组织及Al、V元素浓度的线分布(沿中心线)

Fig.2   Microstructure (a) and concentration distribution of Al and V (along the center line) (b) of TC4 alloy water quenched at 960 ℃


图3

图3   不同两相区温度固溶后水冷条件下,TC4合金αpβt的元素(Al、V)定量分析

Fig.3   Quantitative measurements of element concentrations in αp and βt with respect to solution temperature in α+β phase region followed by water quenching


钛合金在升温至两相区过程中,将发生αβ相变,导致α相比例减小,相应β相比例增大,并达到新的相平衡。伴随αβ相变的发生,αβ两相中的合金元素发生动态再分配,Al原子由α/β界面向α相中心和相邻β相方向扩散,而V原子则由α相中心、β相向α/β界面扩散,因此升温过程中αβ两相中Al含量均升高,而V含量均降低。由图3还可以看出,β相元素含量变化较α相更明显,这主要归因于元素在αβ两相中的固溶度及其扩散速率的差异。由合金元素性质及钛合金伪二元相图[5]可知,V在β相可以无限互溶,其含量随温度降低而迅速增加,而V在α相固溶度较小且随温度变化不大。升温过程中发生αβ相变,原少数β相内高度富集的V需要分配到体积分数迅速增大的β相内,导致其平均含量明显降低,而原α相Al元素富集,随着α相比例的明显减少,Al分配至β相,导致其平均含量升高。在元素扩散速率方面,αβ相变属于扩散型相变,在本实验给定的固溶保温时间内,αβ相中实际元素浓度与该固溶温度下的平衡成分存在一定差异,由于α相中Al的扩散速率低于β相,并且实验所得为αp晶粒中心处的元素浓度,因此其元素含量变化不明显,而V本身在α相内的固溶度较小,其含量变化也不明显。本实验所得规律与已有热力学模拟以及实验结果相符[6,7,8,17,18,19,20]

2.1.2 固溶后冷却速率的影响

图4为TC4合金经880 ℃固溶处理后分别以炉冷、空冷以及水冷3种方式冷却后的显微组织及元素含量面分布。通过对比可以看出,炉冷组织α相体积分数最高,约为90%,并且Al、V在αpβt中的浓度差异更为显著,表现为αp内Al (V)含量远高(低)于βt;而水冷后α相比例最低,经统计约为47%,同时αpβt之间元素浓度差异明显减小;空冷后α相比例以及αpβt区域元素浓度差异介于炉冷与水冷条件之间。

图4

图4   TC4合金经880 ℃固溶并以不同方式冷却后的显微组织及Al、V元素浓度分布

Fig.4   Microstructures and corresponding element concentration distributions of the TC4 samples soluted at 880 ℃ and followed by different cooling conditions (The color scale represents element concentration, with red referring to high, while blue low contents)

Color online

(a) furnace cooling (F.C.) (b) air cooling (A.C.) (c) water quenching (W.Q.)


图1,2和4均显示,αp/βt相界处存在一定的过渡区域。利用EMPA定量表征不同冷速下由αp中心至βt之间不同区域的元素浓度,如图5所示。图5a中,炉冷条件下αp不同位置的衬度不同(箭头所示),由于BSE图像衬度与原子序数有关,因此αp内元素含量存在一定的浓度梯度。由图5b可以看出,炉冷条件下αp的中心及靠近中心区域(位置1、2) Al含量较高,V含量较低,随着靠近αp/βt相界处(位置3) Al含量逐渐降低,V含量逐渐升高,至βt (位置4)中Al、V含量分布达到极小、极大值。水冷及空冷条件下由αpβt的元素浓度变化规律与炉冷组织一致,只是αpβt间元素浓度差异明显降低,这与不同冷速下αβ两相比例有关。

图5

图5   TC4合金经880 ℃固溶并以不同方式冷却后的元素浓度定量分析

Fig.5   Quantitative measurements of Al, V concentrations of in TC4 samples soluted at 880 ℃ and cooled with different conditions(a) BSE image of furnace cooling sample, with the numbers referring to the positions: 1—the core of αp, 2—the 1/2 radius of αp, 3—near the edge of αp, 4—βt (The BSE image contrast of αp is indicated by the arrows)   (b) element concentrations of the four positions in Fig.5a under different cooling conditions


合金由两相区固溶后冷却过程中将发生βα相变,本实验结果进一步证实了冷却速率对相变过程中合金元素的再分配行为有显著影响。炉冷条件下,βα相变较为充分,αp晶粒向周边生长,此过程中Al、V元素分别在两相区富集,导致αpβt两区域合金元素浓度差异显著。此外,βα相变后元素扩散未达到平衡浓度,导致形成的αp边缘中Al含量较低,而V含量较高,由于V的原子序数大于Al,因此炉冷组织BSE图像中αp晶粒边缘的衬度由深灰色转变为浅灰色(图5a箭头所示)。水冷条件下,αp晶粒来不及向周边生长,不同区域处的元素含量接近平衡浓度,同一相内元素分布基本一致[16]

2.2 元素再分配对微区显微组织的影响

以上研究结果表明,两相区固溶温度及冷速将影响TC4合金的元素再分配行为,导致αpβt的元素浓度发生变化,元素含量的变化也必将影响其显微组织特征。图6为水冷条件下、不同固溶温度时TC4合金的显微组织,随着固溶温度的升高,αp的比例降低。图7为TC4合金原始组织及不同固溶温度水淬后的XRD谱。从图7a可以看出,原始组织中仅含有αβ两相。经两相区不同温度固溶水淬后,合金中α相的主峰峰位与原始组织中α相的峰位相比有偏移(图7b),并且随着固溶温度的升高,呈现出向原始组织α相峰位移动的趋势。钛合金自高温快速冷却的过程中,高温β相的晶体结构可发生改变,但成分浓度基本不变,从而形成过饱和的固溶体,即马氏体。文献[21,22,23,24,25]表明淬火马氏体的形貌、尺寸以及晶格参数等与受固溶温度影响的β相稳定元素浓度有关,随着β相稳定元素浓度降低(固溶温度升高),β相晶格改组的阻力降低,能够转变为六方结构的α′马氏体,所以图7b中所示峰位向着完全α′的峰位(1000 ℃固溶)方向移动。不同温度固溶水淬后,淬火马氏体形貌如图8所示。可以看出,随着固溶温度的升高,马氏体尺寸增大。880 ℃固溶时,呈细针状,片层最大宽度约为0.2 μm (图8a);随着固溶温度的升高,马氏体明显粗化,980 ℃固溶时,呈板条状,片层宽度可达1 μm (图8d);而β单相区固溶时,进一步粗化为块状。本工作EPMA结果显示,随着固溶温度升高,β相中稳定元素含量降低,β相稳定性下降,β相晶格向六方晶格转变的阻力减小,所需过冷度减小,导致转变开始及结束温度升高,最终形成粗大的α′马氏体。

图6

图6   TC4合金经不同温度固溶水淬后的显微组织及αpβt的体积分数变化

Fig.6   Microstructures of the TC4 alloy samples water quenched from the solution temperatures of 880 ℃ (a), 920 ℃ (b), 960 ℃ (c), 980 ℃ (d), 1000 ℃ (e) and volume fractions of αp and βt (f)


图7

图7   TC4合金原始组织及不同温度固溶水淬条件下的XRD谱

Fig.7   XRD spectra of the as-received TC4 sample (a) and the samples quenched from different temperatures


图8

图8   TC4合金经不同温度固溶水淬后βt内淬火马氏体形貌

Fig.8   Micromorphologies of martensite (indicated by the arrows) in βt of the TC4 samples soluted at different temperatures and followed by W.Q.

(a) 880 ℃ (b) 920 ℃ (c) 960 ℃ (d) 980 ℃ (e) 1000 ℃


TC4合金在两相区不同温度固溶后空冷获得的βt显微组织形貌如图9所示。空冷过程中发生了高温βαs(次生α相)的相转变,最终βtαs片层与残余β相并存。由图9可以看出,固溶温度较低时,αs呈细针状,最大片层宽度约为0.2 μm (图9a);随着固溶温度升高,αs体积分数增加,αs片层尺寸增大,αs片层由细针状逐渐转变为粗化的板条状;960 ℃固溶条件下,αs片层宽度可粗化至2 μm (如图9e中箭头所示)。该结果表明,空冷条件下高温βαs转变后的显微组织尺寸同样与固溶温度相关,其主要原因仍然与固溶处理过程中元素扩散再分配相关。随固溶温度的升高,高温β相内V含量降低,使得β相稳定性下降,冷却过程中βαs转变的阻力减小,加之β相内Al含量升高,共同促进了αs的形核和长大。此外,较高固溶温度条件下,元素扩散速率更快,并且由于冷却速率一定,则从较高温度冷却的时间较长,元素扩散充分,导致次生α相尺寸粗化。因此固溶温度对冷却过程中的温度及冷却时间产生影响,进而影响元素扩散及最终显微组织尺寸。

图9

图9   TC4合金经不同温度固溶空冷后βt区域内αs片层显微组织

Fig.9   Microstructures of αs lamella in βt of the TC4 samples soluted at different temperatures and followed by A.C.

(a) 880 ℃ (b) 900 ℃ (c) 920 ℃ (d) 940 ℃ (e) 960 ℃


2.3 微区显微组织对结构单元力学性能的影响

以上研究结果表明,两相区固溶温度对αpβt中的元素浓度及显微组织尺寸产生影响,而元素浓度、显微组织尺寸又分别对αpβt的力学性能产生影响。图10为TC4合金原始组织αp的纳米压痕性能。可以看出,具有hcp结构的αp表现出明显的力学性能各向异性,当c轴方向与载荷方向平行时(θ=0),αp的模量和硬度最高,随着θ的增大,弹性模量及硬度逐渐降低,其中硬度随晶体取向的变化尤为显著:随着θ的增大,硬度从6.0 GPa (θ=10°)下降到4.0 GPa (θ=90°)。研究[26]指出,αp的力学性能随晶体取向变化主要与参与塑性变形过程中的位错类型有关。当θ=0时,主要由c+a型位错参与塑性变形;随着θ逐渐增大,更多的a型位错参与变形,由于a型位错开动所需的临界剪切应力远低于c+a型位错,因此塑性变形的阻力减小,导致αp的弹性模量及硬度降低。由以上分析可知,晶体取向是影响合金αp性能的主要因素。虽然已有研究[11]证实了αp的力学性能与其固溶强化水平(元素浓度)有关,但是本实验结果表明固溶温度对αp中的元素浓度影响较小,并且原始组织αp元素含量与固溶态差异较小,所以原始组织的纳米压痕性能具有代表性。

图10

图10   原始态TC4合金中αp的纳米压痕性能随晶体取向的变化

Fig.10   Variations of elastic modulus (E) and hardness (H) of αp in the as-received TC4 sample detected by nanoindentation

Color online

(a) inverse pole figure (IPF) map showing the crystallographic orientations of αp

(b, c) elastic modulus and harness as the function of declination angle (θ) between the c-axis of hcp αp lattice and loading direction


TC4合金经过不同两相区温度固溶空冷后,其βt的纳米压痕性能随固溶温度的变化如图11所示。可以看出,随着固溶温度的升高,βt (包含αs、残余β)的模量及硬度均呈现降低的趋势,且其硬度明显低于αp (图10)。βt硬度随固溶温度降低主要归结于αs片层的粗化,αs/β的界面数量明显减少,塑性变形过程中界面对位错运动的阻碍作用减弱,最终导致βt纳米压痕硬度的下降。

图11

图11   两相区固溶后空冷条件下,TC4合金βt的纳米压痕性能随固溶温度的变化

Fig.11   Variations of E and H of βt in the samples with solution and A.C. condition as a function of solution temperature


3 结论

(1) 固溶水冷条件下,TC4合金αpβt中Al、V元素浓度(水冷条件下βt元素浓度与高温β相基本一致)随着两相区温度的变化趋势符合热力学平衡相图规律:随固溶温度的升高,Al元素浓度在αpβt中均升高,而V元素浓度在αpβt中均降低,αpβt之间元素浓度差异减小;与αp相比,βt中元素浓度随温度变化更加显著,这主要归因于β相内较高的元素固溶度及元素扩散速率。

(2) 两相区固溶后的冷速也对元素再分配具有显著影响。随着冷却速率减小,αpβt之间元素浓度差异增大,这是由于冷却过程中伴随βα相变,合金元素发生动态再分配,最终加剧了Al在αp及V在少量βt内富集,导致αp/βt间元素浓度差异增大。

(3) 元素浓度随固溶温度的变化对高温β相转变产物的显微尺寸具有显著影响。固溶后水冷时,合金高温β相转变为马氏体,随着固溶温度升高,高温β相内Al含量升高、V含量降低,β相稳定性下降,因此β相晶格转变为六方结构的阻力降低,导致α′马氏体随固溶温度升高而粗化;而空冷条件下,高温β相中析出αs片层,同理随固溶温度升高,高温β相元素浓度的变化趋势将有利于αs片层的生长及粗化。

(4) 由元素浓度随固溶温度的变化及其引起的βt显微尺寸的变化最终将对微区力学行为产生影响。固溶后空冷时,随着固溶温度升高,βt的纳米压痕弹性模量及硬度呈降低的趋势,主要归结于αs片层的粗化作用;由于αp中元素浓度随固溶温度变化较小,其纳米压痕弹性模量及硬度主要受hcp晶体取向的影响,随着hcp晶格的c轴与载荷方向夹角的增大,其弹性模量及硬度下降,这与hcp晶格的各向异性有关。

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