圖1 Ti60精鍛棒材D45和D30的鍛態顯微組織
Fig.1 Microstructures of as-forged D45 (a, b) and D30 (c, d) Ti60 precision bars in longitudinal (a, c) and cross (b, d) sec-tions (D45 and D30 are referring to the Ti60 bars with diameters 45 and 30 mm, respectively)
棒材經不同溫度熱處理后縱剖面的顯微組織如圖 2 所示。 經 950 ℃熱處理后, D45 和 D30 棒材中的α相均出現了不同程度的等軸化現象, D30 棒材α相等軸化更明顯。 1000 和 1050 ℃熱處理后 2 種Ti60 棒材的顯微組織差異不大, 1000 ℃熱處理后,得到初生α相約占30%的雙態組織, 1050 ℃固溶處理得到原始b晶粒尺寸約為500 μm的片層組織。
圖2 不同熱處理條件下Ti60棒材的顯微組織
Fig.2 Microstructures of D45 (a, c, e) and D30 (b, d, f) Ti60 bars in longitudinal section after heat treatment at 950 ℃ (a,b), 1000 ℃ (c, d) and 1050 ℃ (e, f)
2.2 織構及其隨熱處理制度的演變
2 種 Ti60 棒材鍛態在 3 種熱處理條件下的織構如圖 3 所示。 由圖 3a 可見, D45 棒材鍛態組織中存在的織構主要為棒材軸向與a相的 < 0001 > 或< 101ˉ0 > 方向平行的絲織構; 隨熱處理溫度升高,950 和 1000 ℃熱處理條件下, 棒材軸向與<101ˉ0 >方向平行的織構密度略有降低, 但棒材軸向與晶體c 軸平行的織構密度逐漸升高; 1050 ℃熱處理后,< 0001 > 絲織構進一步增強并出現 < 202ˉ3 > 方向的轉變織構, 最大織構密度分別為8。4和6。5。 D30棒材鍛態組織中存在棒材軸向與 < 101ˉ0 > 方向平行的強絲織構, 950 ℃熱處理后, < 101ˉ0 > 絲織構減弱, 出現棒材軸向與晶體 c 軸平行的絲織構; 1000 ℃熱處理, 上述 2 種織構密度比 950 ℃熱處理后的有所增強, 但 < 101ˉ0 > 絲織構與鍛態組織相比有所減弱;1050 ℃熱處理形成 < 0001 > 強絲織構。
圖3 鍛態和熱處理態Ti60棒材的軸向反極圖
Fig.3 Inverse pole figures in axial direction (AD) of D45 (a, c, e, g) and D30 (b, d, f, h) Ti60 bars at as-forged state (a, b)and after heat treatment at 950 ℃ (c, d), 1000 ℃ (e, f) and 1050 ℃ (g, h)
對Ti60棒材鍛態及兩相區熱處理組織進行EB-SD 分析, 結果如圖 4~7 所示。 由圖可見, 沿棒材軸向, D45 棒材呈現出棒材軸向與α相的 < 0001 > 和< 101ˉ0 > 方向平行的織構(圖4a); 而D30棒材呈現出棒材軸向與α相的 < 101ˉ0 > 方向平行的強織構(圖4b), 部分等軸a相的c軸與棒材軸向平行, 但數量較少, 這與圖3a和b的結果相近。 由棒材徑向的晶體取向分布圖(圖 4c 和 d)可知, 不同區域的晶體取向分布差異較大, 存在較強的微織構。 950 ℃熱處理后D45 棒材的顯微組織與織構均未發生明顯變化(圖5), 而D30棒材經950 ℃熱處理后, 晶粒有比較明顯的長大, 微織構減弱, 晶體取向分布趨于均勻; 經1000 ℃熱處理后, 2種棒材的組織差異減小, 微織構明顯減弱(圖 6)。 由圖 7 可知, 采用 EBSD 得到的1000 ℃熱處理棒材的織構類型及密度與XRD結果基本一致。 利用 Channel5 軟件對初生α相(ap)和次生α相(as)的織構分別進行了分析, 結果如圖7c~f所示。 2種規格的Ti60棒材中, 初生a相與次生α相具有相同的織構類型, 初生α相的織構強度低于次生a 相, 主要為 < 0001 > 方向的織構。 D30 棒材中初生α相和次生α相的 c 軸與棒材直徑方向平行的織構密度均高于 D45 棒材, 并且 D30 棒材中初生α相和次生α相還存在 < 101ˉ0 > 方向與棒材軸向平行的織構。
圖4 Ti60棒材原始組織的EBSD晶體取向分布圖
Fig.4 Orientation image maps in axial (a, b) and radial (c, d) directions (RD) of D45 (a, c) and D30 (b, d) Ti60 bars at as-forged state (Insets in Figs.4a and c indicate the map color codes)
圖5 Ti60棒材950 ℃固溶處理后的EBSD晶體取向分布圖
Fig.5 Orientation image maps in axial direction of D45 (a) and D30 (b) Ti60 bars after heat treatment at 950 ℃ (Inset in Fig.5a indicates the map color code)
圖6 Ti60棒材1000 ℃固溶處理后的EBSD晶體取向分布圖
Fig.6 Orientation image maps in axial direction (a, d), orientation of primary a (b, e) and secondary a (c, f) components of D45 (a~c) and D30 (d~f) Ti60 bars after heat treatment at 1000 ℃ (Inset in Fig.6a indicates the map color code)
圖7 Ti60棒材經1000 ℃固溶處理后的EBSD反極圖
Fig.7 Inverse pole figures in axial direction (a, b), orientation of primary a (c, d) and secondary a (e, f) components of D45 (a, c, e) and D30 (b, d, f) Ti60 bars after heat treatment at 1000 ℃
α+β兩相及近α鈦合金在α+β兩相區變形過程中, 同一集束內的次生α相具有相近的變形行為, 從而在變形欠充分的大截面棒材內產生較強的微織構[17,23]。 繼續變形過程中, 同一區域具有相近取向的晶粒仍保持相近的變形行為[17], 使得小規格棒材中也同樣存在較強的微織構。 高溫熱處理及隨后的冷卻過程中, α相的再結晶及β →α相變可產生新的晶體取向, 使微織構減弱。 在精鍛過程中材料承受兩向壓應力和單向拉應力的應力狀態, α-Ti在變形過程中主要開動柱面, 基面和錐面滑移系[21], 隨著變形量的增加, 晶粒的 < 101ˉ0 > 方向逐漸趨于棒材軸向,形成沿軸向的 < 101ˉ0 > 絲織構。 在熱處理過程中, 隨著熱處理溫度的升高, 合金將發生 α→β 相變, β相優先在殘留 β相處形核、長大, 此過程中 β相的晶體取向不發生改變; 冷卻過程中生成的次生α相與原始 β 晶粒之間存在 Burgers 取向關系。 次生α相存在 c 軸與棒材軸向平行的織構意味著合金中的高溫 β 相存在 < 110 > 方向平行于棒材軸向的絲織構。 室溫下, 近α 鈦合金中的殘留 β相含量較少(體積分數為 5%~7%), 利用 EBSD 和 XRD 很難直接檢測出合金中殘留 β相的晶體取向, 也不能直接檢測材料在高溫變形過程中 β相的取向演變過程。 Peck和 Thomas[27]及張振波[28]對 Fe, Nb, W 和 β 鈦合金Ti2448 等 bcc 金屬的研究發現, 在旋鍛或擠壓過程中棒材均形成 < 110 > 與棒材軸向平行的絲織構, 并且隨著變形量的增加, 織構密度逐漸增大。 棒材的精鍛過程與旋鍛和擠壓時所受的應力狀態相似, 因此可認為近α鈦合金在α+β兩相區精鍛過程中β相也產生同樣的織構類型, 這與合金經高溫熱處理后產生的次生a相的晶體取向相吻合。
2.3 熱處理溫度對室溫拉伸性能的影響
圖8為2種規格Ti60棒材經不同溫度熱處理后的室溫拉伸性能。 由圖 8a 可見, 熱處理溫度對 D45棒材的屈服和抗拉強度的影響不大, 經1000 ℃固溶后棒材的強度略高, 屈服和抗拉強度分別為1009和1105 MPa; 塑性隨熱處理溫度的升高略有降低,1050 ℃熱處理后塑性顯著下降, 平均延伸率僅為6.1%。 而D30棒材的強度隨熱處理溫度的升高顯著升高, 塑性降低也比較顯著, 1050 ℃熱處理后平均延伸率僅為 3.3%, 但屈服和抗拉強度分別升高至1086 和 1144 MPa。 在 1000 ℃固溶時, 2 種規格 Ti60棒材的室溫拉伸強度和塑性可得到良好的匹配。多晶材料的宏觀力學性能與材料晶粒的晶體取向分布有著密切的關系, 特別是對于密排六方結構的 α-Ti 合金, 織構對性能的影響更大。 當棒材中存在 < 0001 > 絲織構時, 需要啟動六方晶體的錐面< α + c > 滑移系, 所需的臨界剪切應力較大, 導致合金的強度較高; 當棒材存在 < 101ˉ0 > 絲織構時, 晶體的柱面 < a > 滑移系開動, 需要的臨界剪切應力較小, 合金的強度較低, 但塑性較好。 D45 棒材在β相變點以下950和1000 ℃固溶處理, 初生a相含量隨熱處理溫度的升高逐漸降低, < 0001 > 絲織構密度略有增加, 使棒材的強度略有升高而塑性略有降低。 1050 ℃熱處理后, 雖然棒材的 < 0001 > 絲織構繼續增強, 但此時合金中的原始b晶粒較粗大, 使強度和塑性同時降低。 D30 棒材的室溫拉伸性能受熱處理溫度的影響較大, 經 950 ℃熱處理后得到等軸組織, 存在 < 101ˉ0 > 方向的絲織構, 導致合金強度偏低, 其屈服和抗拉強度僅為 948 和 1009 MPa, 但延伸率最高, 可達 16.5%。 1000 ℃熱處理后, < 0001 >絲織構增強, 合金的強度顯著增加, 塑性降低。 經1050 ℃熱處理后, 棒材形成很強的 < 0001 > 絲織構, 盡管原始b晶粒粗大, 但棒材的強度仍繼續顯著升高, 屈服和抗拉強度分別可達 1086 和 1144 MPa,但延伸率僅為 3.3%。 綜上所述, Ti60 棒材合金的拉伸性能受組織類型與織構的雙重影響, 但受織構影響更大。
圖8 不同熱處理后Ti60棒材的室溫拉伸性能
Fig.8 Room temperature tensile properties of D45 (a) and D30 (b) Ti60 bars after different heat treatments
3、 結論
(1) Ti60 合金直徑為 45 mm 的 D45 精鍛棒材鍛態組織中主要存在 < 0001 > 和 < 101ˉ0 > 方向的絲織構; 直徑為30 mm的D30精鍛棒材鍛態組織中的主要織構類型為 < 101ˉ0 > 方向的絲織構。
(2) 隨著熱處理溫度的升高, 棒材b轉變組織中< 0001 > 方向的絲織構的強度逐漸增強, < 101ˉ0 >方向的絲織構逐漸減弱甚至消失, 這一變化趨勢在直徑為30 mm精鍛棒材中更明顯。
(3) Ti60 精鍛棒材的室溫拉伸性能受合金組織類型和織構的雙重影響, 但受織構影響更大; 選擇合適的固溶處理溫度, 獲得α相 c 軸與棒材軸向平行的雙態組織, 可使合金強度和塑性的匹配優化。
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