航空海洋石油勘探用TC10鈦合金板材的相變及熱處理

1、前言

TC10（名義成分為Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Fe-0.5Cu）是一種富β穩(wěn)定元素的兩相高強(qiáng)鈦合。其具有良好的力學(xué)性能、耐熱性能以及耐蝕性等特點(diǎn)，在航天航空領(lǐng)域、海洋工程領(lǐng)域以及石油勘探等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

TC10鈦合金固態(tài)相變通常發(fā)生在熱處理過程中，相變的研究實(shí)際就是研究其熱處理過程，兩相鈦合金相變的種類主要有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變和有序化轉(zhuǎn)變[1]。

2、冷卻過程中的相變

2.1馬氏體相變

TC10合金含富β穩(wěn)定元素，在其β相區(qū)或接近(α+β）/β相變點(diǎn)進(jìn)行高溫淬火時(shí)，β相析出的過程來不及進(jìn)行，β相的晶格結(jié)構(gòu)不易被冷卻速度所抑制，仍然發(fā)生了轉(zhuǎn)變[3]。這種原始β相的成分未發(fā)生變化，晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化的過飽和固溶體便是馬氏體。

2.1.1α＇相變

當(dāng)β相的晶格由體心立方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)槊芘帕骄Ц瘢@種具有六方結(jié)構(gòu)的過飽和固溶體稱為六方馬氏體，以α＇來表示，α＇相變?yōu)轳R氏體相變中的一種，是在快速冷卻的過程中通過非擴(kuò)散切變而形成的。

2.1.2α＂相變

當(dāng)β相的晶格不能轉(zhuǎn)變?yōu)槊芘帕骄Ц駮r(shí)，其轉(zhuǎn)變?yōu)樾狈骄Ц瘛＿@種具有斜方晶格的馬氏體稱為斜方馬氏體，以α＂來表示。α＂相是由β相以非擴(kuò)散轉(zhuǎn)變形成的過飽和非平衡斜方相，是馬氏體相變中的一種。

2.2α相變

當(dāng)冷卻速度較慢時(shí)，會(huì)發(fā)生α相變，也稱為近平衡相變，其相變過程中的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是通過原子擴(kuò)散進(jìn)行的，而不是切變。由于冷卻速度很慢，此類相變得到的組織為近平衡組織，沒有時(shí)效強(qiáng)化效果，有較好的塑性，但是強(qiáng)度較低，一般退火爐冷過程中都會(huì)發(fā)生此類相變。

3、時(shí)效過程中的相變

TC10鈦合金在冷卻過程中存在不穩(wěn)定相，這些相在隨后時(shí)效過程中會(huì)發(fā)生分解，根據(jù)保留相的不同，在時(shí)效過程中主要相變有：β→α，α＇→β＋α，α＂→（β＋α＇）→β＋α。因?yàn)門C10合金中有共析元素，也會(huì)產(chǎn)生共析反應(yīng)。

3.1亞穩(wěn)定β相分解

加熱溫度較低時(shí)，合金元素發(fā)生偏聚，β相分離為無數(shù)溶質(zhì)原子貧化的微觀區(qū)域及相鄰的溶質(zhì)原子富集的微觀區(qū)域，即β亞→β富+β貧（β＇），進(jìn)一步提高溫度或延長時(shí)效時(shí)間，β相化學(xué)成分的不同，從β貧化區(qū)析出α＇相，并分解為平衡的α相及β相，即β貧（β＇）→α+β或β貧（β＇）→α＂→α+β及β富→α+β[2]。

3.2α＇相的分解

α＇相時(shí)效時(shí)分解為α相和β相，β在α＇相界面或亞結(jié)構(gòu)上非均勻形核，在時(shí)效后期，當(dāng)平衡β相量少時(shí)，α母相發(fā)生再結(jié)晶，當(dāng)平衡β相量多時(shí)，β相在α＇相界面上形成連續(xù)的β層，即α＇→β＋α[3]。

3.3α＂相的分解

α＂相的分解較α＇要復(fù)雜一些，當(dāng)時(shí)效溫度較高時(shí)，α相在α＂基體上均勻析出，隨后粗化，最終形成瘤狀區(qū)。也有研究發(fā)現(xiàn)，在一定的時(shí)效溫度范圍內(nèi)，α＂分解的動(dòng)力學(xué)方程可以表示為：α＂→α＇＋（β）→α＋β，即α＂相的分解經(jīng)歷了α＇相的中間階段，也可以認(rèn)為β→α＂轉(zhuǎn)變是β→α＇轉(zhuǎn)變的中間過程，這個(gè)過程在實(shí)際應(yīng)用中是有意義的，因?yàn)棣粒嗟膹?qiáng)度大于α＂相，可以通過控制時(shí)效溫度，使時(shí)效時(shí)α＂相分解生成α＇相，強(qiáng)化合金。

4、合金中各化合物相

TC10鈦合金中各元素中Al元素能夠固溶于α鈦，與鈦形成替代式固溶體；V元素與β鈦晶格類型相同，無限溶于β相，無化合物相；Sn元素是中型元素，在α鈦和β鈦中均有較大固溶度，無化合物相形成，F(xiàn)e元素在一般的加工和熱處理過程中不能產(chǎn)生中間相，主要是以固溶強(qiáng)化形式強(qiáng)化合金；Cu元素與鈦發(fā)生共析相變，生產(chǎn)化合物由于Cu元素的快共析性質(zhì)及在α相中低的固溶度，故可以通過時(shí)效沉淀強(qiáng)化來提高合金的強(qiáng)度。

5、工業(yè)生產(chǎn)中的熱處理方式

研究鈦合金的固態(tài)相變，其實(shí)就是研究鈦合金的熱處理，因?yàn)閹缀跛械南嘧兌际前l(fā)生在熱處理過程中，固態(tài)相變是熱處理的理論實(shí)質(zhì)，熱處理是固態(tài)相變理論作用于實(shí)踐的主要方式，實(shí)際生產(chǎn)中，TC10合金熱處理方式主要有：淬火處理、淬火＋時(shí)效、普通退火、雙重退火、等溫退火等[4]。

5.1淬火處理

淬火處理指在β相存在的溫度下加熱和從該溫度的快速冷卻組成。對(duì)于TC10合金，淬火前的加熱在α+β區(qū)的溫度下進(jìn)行，也有部分在β區(qū)的溫度下進(jìn)行。

淬火過程中發(fā)生了馬氏體相變，即同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，合金的塑性、韌性稍有升高，強(qiáng)度、硬度稍有降低。

5.2淬火＋時(shí)效

合金在淬火處理后，一般在α+β兩相區(qū)再進(jìn)行時(shí)效處理，使淬火處理得到的亞穩(wěn)相轉(zhuǎn)變?yōu)榇紊料嗪挺孪啵辖鸬挠捕取?qiáng)度升高，塑性、韌性降低。

5.3普通退火

普通退火是在合金的β轉(zhuǎn)變溫度以下20℃~250℃的溫度下加熱后空冷。其目的是使鈦合金消除基本應(yīng)力，并具有較高的強(qiáng)度和符合技術(shù)要求的塑性。

除了普通退火，在生產(chǎn)中，為了完全消除加工硬化，以及更好的穩(wěn)定組織和提高塑性，會(huì)使合金發(fā)生再結(jié)晶，即再結(jié)晶退火。加熱溫度介于再結(jié)晶溫度和相變溫度之間，若超過相變溫度會(huì)形成魏氏組織，使合金性能惡化。

5.4雙重退火

雙重退火是在普通退火的空冷后，再在合金的β轉(zhuǎn)變溫度以下250℃~450℃的溫度下加熱后空冷。

目的是為了改善合金的塑性、斷裂韌性和穩(wěn)定組織，退火后合金組織更加均勻和接近平衡狀態(tài)。

5.5等溫退火

等溫退火是在合金的β轉(zhuǎn)變溫度以下20℃~160℃的溫度下加熱，隨后轉(zhuǎn)移到(或爐冷到）合金的β轉(zhuǎn)變溫度以下350℃~450℃的爐中保溫后空冷。此種退火是為了獲得更好的塑性和熱穩(wěn)定性。

6、結(jié)語

綜上所述，TC10鈦合金相變中，冷卻過程主要有α、α＇、α＂相，都以α為主體進(jìn)行表達(dá)，它們都是以α晶體結(jié)構(gòu)為主衍生而來的，在形態(tài)和結(jié)構(gòu)上，α＇、α＂相很難進(jìn)行區(qū)分，后續(xù)的時(shí)效分解，所有的相最終分解成α和β相。根據(jù)TC10鈦合金成分，其化合物相有Ti3Al相和Ti2Cu相，都在約600℃時(shí)溶解，因?yàn)門C10合金的β穩(wěn)定元素含量較高，所以除了常見的熱處理方式外，還可以進(jìn)行等溫退火。

參考文獻(xiàn)

[1]WOODRA，F(xiàn)AVORRJ.鈦合金手冊(cè)[M].劉靜安，吳煌良，姚毅中譯.重慶:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社重慶分社，1983:75.

[2]辛社偉，趙永慶，曾衛(wèi)東.鈦合金固態(tài)相變的歸納與討論(Ⅰ）—同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2007，24（5）:23．

[3]辛社偉，趙永慶，曾衛(wèi)東．鈦合金固態(tài)相變的歸納與討論（Ⅱ）—共析和有序化轉(zhuǎn)變［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2008，25（1）:40．

[4]張翥，王群驕，莫畏.鈦的金屬學(xué)和熱處理[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2009:46.