鈦合金熱織構(gòu)的研究進展

鈦合金熱織構(gòu)的研究進展

鈦合金是一種非常重要的輕結(jié)構(gòu)材料。它在航空、航空航天、車輛工程、化工、造船、生物醫(yī)學工程、娛樂休閑等領(lǐng)域具有重要的應用價值和廣泛的應用前景。它也是國內(nèi)外材料研究的熱點。鈦合金的主要優(yōu)點包括比強度高,高溫性能好,抗腐蝕性能優(yōu)異等,因此應用于其他合金綜合性能不能滿足的產(chǎn)品中。鈦在不同的溫度范圍內(nèi),結(jié)晶成不同的晶體結(jié)構(gòu),隨著溫度的變化,會發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變。低溫時,純鈦和部分鈦合金的晶體結(jié)構(gòu)為密排六方結(jié)構(gòu)(hcp),稱為α相,高溫時,為體心立方結(jié)構(gòu)(bcc),稱為β相。按照室溫相的組成和含量,將工業(yè)鈦合金分為以下四種:α鈦合金,近α鈦合金,α+β鈦合金,β鈦合金,且這四種合金的產(chǎn)生均與添加的合金元素有關(guān)。鈦合金的織構(gòu)的形成和演變主要受到相變,再結(jié)晶,和熱變形等因素的影響,而其又決定鈦合金產(chǎn)品的使用性能,因此,在生產(chǎn)和加工過程中,必須考慮織構(gòu)的存在。本文中總結(jié)了國內(nèi)外鈦合金織構(gòu)的形成和演變的研究進展。1局部組織的形成機理α+β兩相鈦合金在β相變點以上保溫退火后,慢速冷卻,會形成魏氏組織,該組織主要由若干α片層集束無規(guī)則排列并由晶界α相包圍的粗大原始β晶粒組成。α片層的厚度與冷卻速度有關(guān)。目前國外一些研究人員對魏氏組織中微觀織構(gòu)的形成機理進行了深入探討。早在1934年,Burger提出金屬鋯(與鈦合金同屬一種類型)的體心立方的bcc相轉(zhuǎn)變成密排六方的hcp相的過程中遵循一種取向關(guān)系,即{0001}α∥{110}β?<112ˉ0>α∥<111>β,這種關(guān)系決定了相變過程中晶界和晶內(nèi)片層α相從β相中析出時形成的特殊的晶體學取向關(guān)系,如圖1所示。隨著電子背散射衍射技術(shù)(EBSD技術(shù))的發(fā)展,Bhattacharyya等基于這種特殊關(guān)系研究了兩相鈦合金魏氏組織(圖2(a))中晶界α相和晶內(nèi)集束α相的晶體學和幾何關(guān)系,并較系統(tǒng)地解釋其形成機理。他們指出,在同一β晶粒內(nèi)部,呈不同的幾何方向的α集束之間,可能有非常相近的晶體學取向關(guān)系;如果相鄰的兩個β晶粒的<110>β晶向呈約10.5°時,可以促進晶界處片層α相分別生長進入這兩個β晶粒,且這兩組α集束的取向相同,但是生長方向呈大約89°;大量的事實表面,當{110}β面為兩個相鄰的β晶粒所共有時,晶界α相以{0001}α‖{110}β取向關(guān)系析出的過程中,相界面能趨于最小化,因此,由于α相的{0002}面間距約等于β相的{110}面間距,伴隨著形核活化能的減小,α相的形核尺寸減小。為了提高鈦合金產(chǎn)品的性能,可以通過一系列的加工手段使得其微觀組織變得均勻,但是難以均勻化其局部取向分布。鈦合金的雙態(tài)組織主要是由初生等軸的α晶粒和次生的片層α相與β相相間存在的一種組織,是鈦合金典型組織的一種,如圖2(b)所示。雙態(tài)組織中存在局部區(qū)域強織構(gòu),稱之為“廣域”,常常出現(xiàn)在半成品中和鍛造盤件中,由于這種局部強織構(gòu)的存在,可能在塑性變形過程中形成局部裂紋,為了提高鈦合金的疲勞性能,避免這種“廣域”的形成非常重要,因此“廣域”的形成機理也受到研究人員的關(guān)注。Germin等借助EBSD技術(shù),通過近α鈦合金TIMETAL834的魏氏組織熱變形實驗,系統(tǒng)地闡述了在α+β兩相區(qū)熱變形時“廣域”的形成機制。研究表明,“廣域”內(nèi)部,相鄰的初生α相和次生α集束有不同的形成機理,但是有相同的主要晶體學取向,這主要是由于最初的魏氏組織中同一集束以相同的方式變形,變形后β相和初生等軸α相仍存在伯格斯取向關(guān)系,或者以密排面平行的方式存在,而由于密排六方結(jié)構(gòu)的α相在變形過程中受到其本身性質(zhì)的限制,導致初生等軸α相產(chǎn)生的新取向很少,因此在β相向α相轉(zhuǎn)變過程中,新產(chǎn)生的集束(遵循伯格斯取向關(guān)系)同周圍粗生等軸α相有相同的取向(或者至少是基面取向)。Stanford等研究了Ti-6Al-4V中β相向α相轉(zhuǎn)變的變體選擇,并指出鈦合金的微觀組織和織構(gòu)與β相向α相的轉(zhuǎn)變的擴散過程密切相關(guān)。由于魏氏組織的形成過程中12種變體等可能形成,但是測量結(jié)果表明α相基面織構(gòu)比預測的更強,說明β相向α相轉(zhuǎn)變過程中的變體選擇是值得注意的,而這種變體選擇是由于在幾乎平行的<110>晶向的兩個β晶粒之間α相發(fā)生優(yōu)先形核而產(chǎn)生,且<110>方向與新形成的α相的c軸平行,這種變體選擇機制可以用來較精確仿真相變織構(gòu)。國外不少研究人員探索了β相向α相轉(zhuǎn)變的機制及織構(gòu)的遺傳性等,但是較少研究α相向β的轉(zhuǎn)變機制和相變織構(gòu),這主要是由于高溫下β相的冶金形態(tài)信息難以獲取,而其室溫下卻處于不穩(wěn)定狀態(tài)。Gey和Humbert等通過在連續(xù)加熱過程中織構(gòu)的改變研究α相向β相的轉(zhuǎn)變機理,Ti-6Al-4V在冷軋和后續(xù)的退火β相呈現(xiàn)強織構(gòu),主要為(0°,40°,45°)和(180°,40°,45°),而該織構(gòu)的形成無法使用伯格斯取向關(guān)系來解釋。由于β相的形核對相變織構(gòu)的形成有重要的影響,α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪嗟南嘧儥C制與早先存在的β晶核的生長有直接關(guān)系。Gey和Humbert等也利用EBSD技術(shù)基于相變過程中的變體選擇更加系統(tǒng)地解釋了β相向α相轉(zhuǎn)變過程中的織構(gòu)遺傳性。Glavicic等研究了雙態(tài)組織中微觀織構(gòu)的起源和次生α相織構(gòu)的測試方法,指出雙態(tài)組織中微觀織構(gòu)與初始的β晶粒晶界有直接關(guān)系,全部的次生α相和部分初生α相存在一種晶體附著關(guān)系,這種附著關(guān)系與先前的β晶粒成對出現(xiàn)導致了局部微觀織構(gòu)的形成。EBSD技術(shù)的發(fā)展對鈦合金織構(gòu)的研究起了至關(guān)重要的作用,可以將鈦合金特有的復雜組織和微觀晶粒取向結(jié)合研究,以便更好地解釋其微觀組織和織構(gòu)形成機理。常見的使用EBSD技術(shù)的研究方法有如下幾種:(1)標出退火態(tài)的魏氏組織中,晶界α相和晶內(nèi)α相的集束同β相的晶體學取向關(guān)系,進而探究魏氏組織和相變織構(gòu)的形成機理以及相變過程中的變體選擇;(2)魏氏組織兩相區(qū)熱變形后的再結(jié)晶織構(gòu)和變形織構(gòu)的演變(利用軟件進行分別計算);(3)獲得組織中不同區(qū)域的施密特因子,進而評價其變形難以程度和變形協(xié)調(diào)性;(4)研究相變過程中織構(gòu)的遺傳性。2我國亞穩(wěn)定的鈦合金織構(gòu)在我國設(shè)置的應用目前國內(nèi)對鈦合金的織構(gòu)和從晶粒取向方面研究鈦合金的組織和織構(gòu)的形成機理的研究還比較少,將電子背散射衍射技術(shù)應用于鈦合金織構(gòu)和微觀取向的研究還處于探索階段。研究的鈦材料主要是國內(nèi)自主研發(fā)的TA和TC等系列合金,以及一些亞穩(wěn)定的β型鈦合金等。北京科技大學尤力等通過對Ti-18Nd-4Sn合金進行軋制及退火處理,研究其對亞穩(wěn)定的β鈦合金織構(gòu)的影響。研究表明,軋制變形過程導致了織構(gòu)的產(chǎn)生,隨著變形量的增加,織構(gòu)強度有所增強,且{223}<110>型織構(gòu)增強最為明顯;冷軋后的退火對不同變形程度的樣品影響不同;大變形程度冷軋后的退火促進{111}<112>再結(jié)晶織構(gòu)的形成。李興無等研究了退火溫度對航空用兩相鈦合金Ti-3Al-4.5V-5Mo織構(gòu)的影響,并對α相和β相分別進行了討論。倪恒飛等就當時的研究現(xiàn)狀總結(jié)了鈦合金的形成和影響因素,并指出不同的織構(gòu)對力學性能(彈性模量、屈服強度和拉伸性能等)的影響。3織構(gòu)及相關(guān)研究進展織構(gòu)普遍存在于多晶體材料中,且對改進材料的性能起著至關(guān)重要的作用。由于鈦合金組織的復雜性和變形過程中相變、再結(jié)晶和兩相的變形協(xié)調(diào)性等綜合因素的影響,導致其織構(gòu)的研究一直是國內(nèi)外研究學者探索的重點和難點。由于電子背散射衍射技術(shù)的發(fā)展和在鈦合金研究中的合理應用,目前國外對鈦合金織構(gòu)以及相關(guān)的研究進展主要體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)由于魏氏組織形成過程中的變量選擇導致的織構(gòu),以及形成的機理;(2)β相向α相轉(zhuǎn)變的織構(gòu)遺傳性及產(chǎn)生機制;(3)α相向β相轉(zhuǎn)變的織構(gòu)遺傳性的推測;(4)雙態(tài)