1、引言

工藝決定組織結(jié)構(gòu)，組織結(jié)構(gòu)決定力學(xué)性能，因此對(duì)鈦合金顯微組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究尤為重要。目前，傳統(tǒng)鈦合金分為4種組織形態(tài):等軸組織、雙態(tài)組織、魏氏組織和網(wǎng)籃組織[1]。在合金成分確定的前提下，這4種組織形態(tài)往往通過后期的加工和熱處理進(jìn)行調(diào)控，不同的組織對(duì)應(yīng)不同的力學(xué)性能優(yōu)勢。然而，在實(shí)際加工中，人們往往會(huì)獲得不同于4種組織的異常組織，或者在4種組織的基體中存在異常部分，這些異常組織會(huì)對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響[2-3]，因此需要深入細(xì)致的研究?，F(xiàn)有文獻(xiàn)表明，在鈦合金中這些異常組織有的來自于熔煉，比如鑄錠中存在難熔金屬的夾雜[4-5]、由于Mo、Fe、Cr元素偏析而導(dǎo)致的α或β斑等[6-9];有些來自于鍛造，比如TC18合金中的黑斑等[10-11]。對(duì)于這些問題，科研人員給予了深入系統(tǒng)的分析，根據(jù)分析結(jié)果，針對(duì)性的通過工藝的改進(jìn)消除相關(guān)異常組織，為鈦合金制備工藝的不斷優(yōu)化提供了基礎(chǔ)理論指導(dǎo)。

近年來，隨著裝備的不斷提升，對(duì)合金性能提出更高的需求，特別是高強(qiáng)韌鈦合金，以TB6、TC18和Ti-55531合金為代表的高強(qiáng)鈦合金已經(jīng)無法滿足高強(qiáng)度的使用要求[12-13]，需要研制更高強(qiáng)度的新型高強(qiáng)韌鈦合金，由于新研合金具有創(chuàng)新性，在制備過程中不可避免地出現(xiàn)一些

新的異常組織，這些異常組織對(duì)合金力學(xué)性能具有重要影響，亟待解釋。

本工作研究對(duì)象為一種新型高強(qiáng)韌鈦合金TB18[14-16]，該合金是一種1300MPa級(jí)超高強(qiáng)韌鈦合金，其為Ti-Al-Mo-V-Cr-Nb系的6元合金，合金Mo當(dāng)量達(dá)17，相變點(diǎn)為790℃，為典型的亞穩(wěn)β合金。為了獲得良好的強(qiáng)度和斷裂韌性匹配，前期的大量研究表明，該合金使用狀態(tài)為兩相區(qū)鍛造后β區(qū)固溶+時(shí)效的熱處理工藝。該狀態(tài)下，合金可以滿足強(qiáng)度超過1300MPa的同時(shí)，斷裂韌性超過60MPa·m²。但是該合金在制備過程中，部分批次棒材在β區(qū)固溶+時(shí)效后晶粒內(nèi)部或跨晶界出現(xiàn)明顯較為均勻分布的白斑，這種白斑嚴(yán)重影響合金組織和力學(xué)性能的均勻性。針對(duì)該異常組織情況，本研究主要系統(tǒng)分析了白斑的性質(zhì)、其對(duì)力學(xué)性能的影響以及可能的形成原因，該研究結(jié)果可以為TB18合金制備過程中工藝改進(jìn)和組織的優(yōu)化提供基礎(chǔ)指導(dǎo)。此外，對(duì)于高M(jìn)o當(dāng)量的亞穩(wěn)β高強(qiáng)韌鈦合金，即使所謂的均勻組織中，也大量存在尺寸較小，彌散分布的“白點(diǎn)”，本研究結(jié)果也會(huì)對(duì)相關(guān)問題的分析和解釋提供重要參考。

2、實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)材料來自西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司生產(chǎn)的不同批次TB18合金Φ400mm棒材，該棒材經(jīng)過雙相區(qū)終鍛后，采用870℃/2h,AC+525℃/4h,AC的熱處理工藝，該工藝是前期經(jīng)過大量試驗(yàn)獲得的最佳熱處理。在該工藝處理下，由于鍛造工藝的不同，部分批次棒材組織中存在白斑，部分批次棒材為均勻組織。本實(shí)驗(yàn)所有的樣品來自帶白斑批次棒材和正常組織批次棒材。對(duì)樣品進(jìn)行力學(xué)性能測試、顯微組織觀察和進(jìn)一步熱處理試驗(yàn)，測試白斑樣品的力學(xué)性能、顯微硬度，觀察白斑組織結(jié)構(gòu)演化，分析白斑形成機(jī)制和和消除白斑可采取的措施。

顯微硬度是在MVS-1000JMT2維式硬度儀上進(jìn)行，加載載荷為500g，加載時(shí)間為10s。金相(OM)、掃描電鏡(SEM)和背散射電子衍射(EBSD)分別是在OLYMPUS PMG光學(xué)顯微鏡和JSM-6460F型掃描電鏡上進(jìn)行。透射電鏡(TEM)分析在JEM-200CX型透射電鏡上進(jìn)行。

3、結(jié)果與分析

3.1白斑形貌分析

3.2白斑對(duì)性能的影響

表1為不同樣品對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能，可以看出含白斑樣品強(qiáng)度低于正常樣品,塑性和沖擊韌性(aKU2)高于正常樣品，證明白斑的存在降低了合金的強(qiáng)度，提高了合金塑性和韌性。對(duì)白斑樣品的白斑區(qū)和正常區(qū)進(jìn)行維式顯微硬度測試，白斑區(qū)維氏顯微硬度平均為305HV，正常區(qū)為380HV。白斑區(qū)硬度顯著低于正常區(qū)硬度，證明白斑區(qū)為組織中的軟相。圖2為白斑樣品的SEM形貌?？梢郧宄赜^察到正常區(qū)為均勻析出的細(xì)小彌散α相，而白斑區(qū)沒有任何a析出。此外，對(duì)于TB18合金，進(jìn)行單獨(dú)β區(qū)固溶處理后，合金強(qiáng)度顯著下降，塑性和沖擊韌性顯著提高，固溶樣品的顯微硬度和白斑區(qū)相近，因此可以確定白斑區(qū)為無α相析出的β相。

由于在時(shí)效過程中，局部析出動(dòng)力不足，導(dǎo)致形成未析出區(qū)。由于沒有α相的析出，為單一的β相，耐腐蝕性能增強(qiáng)，在光學(xué)顯微鏡下為鏡面反射，顯示為白斑。而且由于其為單相β，區(qū)域內(nèi)無α相的析出，因此硬度低、塑性高、沖擊韌性高。

表1不同樣品的力學(xué)性能

3.3白斑成分分析

很顯然，出現(xiàn)白斑是由于α相的不均勻析出導(dǎo)致，在白斑區(qū)，由于析出動(dòng)力不足，導(dǎo)致形成無α相析出的單一β相。造成析出動(dòng)力不足的原因很多，其中一個(gè)原因是微區(qū)的Mo當(dāng)量增加，導(dǎo)致β相穩(wěn)定性增加。由于TB18屬于典型的亞穩(wěn)β鈦合金，Mo當(dāng)量高達(dá)17，含有大量難熔Mo、V、Nb以及易偏析元素Cr。真空自耗電弧熔煉固有的缺陷使其難以完全實(shí)現(xiàn)合金元素的均勻化，可能存在β穩(wěn)定元素的偏聚區(qū)，導(dǎo)致局部Mo當(dāng)量升高，β相穩(wěn)定性增加。因此，對(duì)微區(qū)的成分進(jìn)行了分析。采用了選區(qū)、打點(diǎn)等方法對(duì)數(shù)十個(gè)樣品白斑區(qū)和非白斑區(qū)進(jìn)行了近百個(gè)能譜分析，2個(gè)區(qū)域的主元素含量平均值如表2所示。結(jié)果表明，合金元素并沒有存在分布不均勻情況，白斑區(qū)的β穩(wěn)定元素含量反而略低于正常區(qū)域，這主要是由于腐蝕造成。對(duì)于α相正常析出區(qū)，β穩(wěn)定元素會(huì)在a和β相之間進(jìn)行重新分布，使得β相中β穩(wěn)定元素含量高于未析出α相的區(qū)域。這樣的組織在腐蝕過程中，a和β相界面優(yōu)先腐蝕，由于α相片層厚度很小，導(dǎo)致α相更多被腐蝕，殘留更多的基體β相，

表2圖2中標(biāo)記區(qū)域的EDS成分分析

Table 2 EDS analysis results of different areas marked in Fig.2(wt%)

因此正常區(qū)β穩(wěn)定元素反而略高于白斑區(qū)。為了避免腐蝕的影響，對(duì)試樣拋光后采用精度更高的電子探針進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域元素的分布并沒有規(guī)律性的不同。進(jìn)一步證明了白斑的存在并不是由于元素的分布不均導(dǎo)致微區(qū)β穩(wěn)定系數(shù)增高造成的。

3.4白斑EBSD和TEM分析

排除了元素分布不均導(dǎo)致的微區(qū)β穩(wěn)定系數(shù)的不同，需分析是否存在晶粒內(nèi)部取向的差異而導(dǎo)致的局部形核動(dòng)力的不同。因?yàn)閷?duì)于β晶粒，由于微區(qū)變形的差異，會(huì)在晶粒內(nèi)部形成取向差[17]，這些取向差會(huì)影響第二相析出的形核[18]。因此進(jìn)行了白斑區(qū)和正常區(qū)的EBSD分析，分析結(jié)果如圖3所示。圖3b為圖3a的IPF圖，可以看到，雖然圖3a在部分晶粒顯示明顯的白斑，而IPF圖每1個(gè)晶粒內(nèi)沒有顯示出任何微區(qū)取向的不同。圖3d為單個(gè)晶粒放大的IPF，可以看到雖然晶內(nèi)存在白斑(圖3c)，但微區(qū)取向沒有任何差別。因此可以判定晶粒內(nèi)析出的不同與晶內(nèi)微區(qū)取向沒有關(guān)系。為了進(jìn)一步更直觀地觀察和確認(rèn)晶粒內(nèi)白斑和正常區(qū)組織，進(jìn)行了TEM分析，如圖4所示。圖4a顯示正常析出區(qū)形貌，衍射斑點(diǎn)進(jìn)一步明確為非常細(xì)小的片層α相，α片層厚度約為50nm，正是由于TB18合金在時(shí)效過程中可以析出大量極為細(xì)小彌散的片層a，合金才具有超過1300 MPa以上的強(qiáng)度。圖4b為白斑區(qū)的形貌，可以看到白斑區(qū)沒有任何析出物,衍射斑點(diǎn)進(jìn)一步證實(shí)其為體心立方的β相。在TEM中對(duì)白斑區(qū)和析出區(qū)能譜進(jìn)行了分析，選擇位置如圖4c所示，其微區(qū)能譜結(jié)果和電子探針結(jié)果相似，都表明白斑區(qū)元素成分和析出區(qū)相同，進(jìn)一步排除了微區(qū)元素不均勻的影響。

3.5熱處理對(duì)白斑的影響

從上述測試和分析可以看出，白斑區(qū)為無析出區(qū)，主要是析出動(dòng)力不足，因此如何從熱處理工藝考慮促進(jìn)白斑區(qū)α相的析出是消除白斑的方法之一。

考慮的第1種方法是不改變現(xiàn)有熱處理工藝參數(shù)的前提下，增加低溫預(yù)時(shí)效。因?yàn)楝F(xiàn)有的熱處理時(shí)效溫度高，時(shí)效后形成α相，α相屬于穩(wěn)定相，形核能高，對(duì)形核位置有選擇性，一旦部分位置非均勻形核，α相依賴非均勻形核迅速長大，抑制了其它位置的形核，導(dǎo)致不均勻析出[19]。而較低溫度的預(yù)時(shí)效可以形成一些亞穩(wěn)過渡相，其形核能低，便于彌散析出[20]。后續(xù)在預(yù)時(shí)效的基礎(chǔ)上增加二級(jí)正常時(shí)效，可以依賴彌散析出的過渡相形成α相，從而有利于α相的均勻析出。

圖5a、5b分別為合金在870℃固溶分別空冷和水淬

后400℃預(yù)時(shí)效，然后在525℃時(shí)效后的顯微組織。對(duì)比圖5a和圖1c可以看到，預(yù)時(shí)效可以明顯改善α相的析出行為，α相的析出均勻性提高，白斑顯著減少。對(duì)比圖5a和5b，可以看到固溶水淬+預(yù)時(shí)效后可以明顯改善α相的析出尺寸和均勻性，圖5c為圖5b放大圖，可以看到圖5b中晶粒內(nèi)的灰色區(qū)域全部為更為均勻細(xì)小的α相，白斑完全消失。主要是因?yàn)樗愕墓倘苣芰Ω鼜?qiáng)，同時(shí)可以保留大量空位等缺陷，有利于過度相在晶內(nèi)的形核析出，從而獲得更為彌散細(xì)小的α相，完全消除了白斑。經(jīng)過預(yù)時(shí)效處理后，雖然可以改善β相的均勻析出能力，形成更為均勻細(xì)小彌散分布的α相，一定程度提高合金的強(qiáng)度，但合金的塑性、沖擊韌性和斷裂韌性會(huì)降低。

除預(yù)時(shí)效外，在原有時(shí)效溫度的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加時(shí)效時(shí)間，促進(jìn)未析出區(qū)的進(jìn)一步析出也是可以考慮的另一種熱處理工藝。圖5d為在合金原有525℃/4h時(shí)效基礎(chǔ)上延長時(shí)效時(shí)間到8h，可以看到隨時(shí)效時(shí)間的延長，未析出區(qū)逐漸開始析出。證明雖然白斑區(qū)α相析出動(dòng)力不足，但通過延長時(shí)效時(shí)間可以得到有效改善。

除以上所述熱處理工藝外，其它增加固溶度促進(jìn)析出的方法，比如提高固溶溫度、提高固溶后冷卻速率、降低時(shí)效溫度、延長時(shí)效時(shí)間都可以有效減弱或從宏觀組織角度消除白斑，但獲得的α相尺寸被明顯改變，顯著影響了合金強(qiáng)度、塑性和韌性匹配。

4、討論

4.1鍛造對(duì)白斑的影響

對(duì)于本研究的樣品，有些批次存在白斑，有些批次沒有白斑，而所有批次的熱處理工藝是一樣的，很顯然造成白斑的主要原因是在熱處理前。前文大量分析表明，白斑的存在和元素微區(qū)的均勻性沒有關(guān)系，這排除了鑄錠熔煉問題。因此，可以確定白斑主要是由鍛造引起的。雖然不同批次鍛造組織幾乎沒有差別，都是包含有細(xì)小等軸α相的雙態(tài)組織(圖1a)，并且后續(xù)的超過相變點(diǎn)80℃的β區(qū)固溶對(duì)鍛造組織有均勻化的作用，但前期鍛造工藝差異還是影響到固溶后的時(shí)效析出行為，造成不同區(qū)域α相析出驅(qū)動(dòng)力不同。TC18合金鍛造后β相區(qū)空燒黑斑和本研究的現(xiàn)象具有相似之處，都存在鍛造后組織相同，但是β相區(qū)固溶后不同晶粒性質(zhì)差別很大[10-11]。因此，對(duì)鍛造工藝的規(guī)范化、精確化和穩(wěn)定化控制是消除白斑的根本方法?？梢灶A(yù)測，不同批次棒材在后期成品鍛造過程中，由于鍛造溫度和變形量的差異，雖然最終的組織幾乎相同，但是在棒材不同區(qū)域變形均勻性和應(yīng)力存在差別，影響了β相區(qū)固溶重結(jié)晶后不同β晶粒的性質(zhì)，導(dǎo)致時(shí)效析出驅(qū)動(dòng)力不同和α相的析出具有選擇性。

高強(qiáng)韌鈦合金的白斑是組織不均勻的一個(gè)表現(xiàn)，由于其尺寸較小，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)意義的β斑，分布均勻，對(duì)瞬時(shí)力學(xué)性能影響不大。而且其屬于基體組織中的軟相，而高強(qiáng)韌鈦合金β區(qū)固溶時(shí)效后塑性和沖擊韌性較差，白斑的存在反而有利于合金塑性和沖擊韌性的提高，容易被誤認(rèn)為有利因素，顯然這種認(rèn)識(shí)是不正確的。白斑的存在是合金組織不均勻性的體現(xiàn)，雖然對(duì)瞬時(shí)性能影響不大，但局部位置的弱化必然影響長時(shí)使用性能，比如疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而影響合金的安全使用，需要通過工藝的優(yōu)化予以消除。

4.2白斑的演化

由上分析可知，可以通過鍛造或熱處理工藝一定程度消除白斑，優(yōu)化組織。但是仔細(xì)分析圖1b所謂的正常均勻組織，仍然可以發(fā)現(xiàn)大量晶粒內(nèi)部存在“白點(diǎn)”組織。后續(xù)通過對(duì)TB18合金白斑批次棒材鍛造工藝優(yōu)化，最終也消除了白斑，但和圖1b相似的“白點(diǎn)”依然存在，如圖6a所示，其在SEM中顯示為基體中分布有片狀灰色析出物(圖6b)，從形態(tài)上極易被誤認(rèn)為β基體析出片狀α相，TEM中清晰顯示其為無析出的β相(圖6c)。因此，可以認(rèn)為，對(duì)于TB18合金，無論是采取什么工藝，從根本上無法完全消除“白斑”，只會(huì)讓其尺寸減小到一定程度。在長期的工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，不止TB18合金，這種無析出的“白點(diǎn)”β相廣泛存在于TB6、TB8、TB9和Ti-55531等亞穩(wěn)高強(qiáng)韌β鈦合金中，而且隨著β穩(wěn)定系數(shù)的提高，這種“白點(diǎn)”現(xiàn)象越顯著?？梢哉J(rèn)為對(duì)于高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金，不存在a/β交織的完全均勻組織，而是形成一種在a/β交織組織的基體上彌散分布尺寸很小的無析出β相的混合“異構(gòu)”組織，由于點(diǎn)狀無析出區(qū)β相尺寸極小(0.5~2μm)，分布彌散，對(duì)拉伸、沖擊等瞬時(shí)力學(xué)性能影響不大，在組織分析中極易被忽略，但是對(duì)于疲勞等長時(shí)循環(huán)加載樣品，由于無析出區(qū)β相在組織中屬于弱項(xiàng)，必然對(duì)裂紋的萌生和擴(kuò)展產(chǎn)生影響，從而影響合金力學(xué)性能的穩(wěn)定性，在相關(guān)分析中應(yīng)予以重視。

5、結(jié)論

1)超高強(qiáng)韌TB18鈦合金β區(qū)固溶+時(shí)效后組織中白斑是沒有任何α相析出的β基體，由于沒有α相的析出，耐腐蝕性能增強(qiáng)，在光學(xué)顯微鏡下為鏡面反射，顯示為白斑。而且由于其為固溶的β相，因此硬度低、塑性高、沖擊韌性高。

2)TB18鈦合金中白斑的微區(qū)元素分布和其它位置沒有差別，造成白斑的原因與合金鑄錠熔煉無關(guān)，主要是鍛造工藝引起的，鍛造造成的組織遺傳行為使得固溶后不同晶粒性質(zhì)不同，不同位置α相的析出行為不同。

3)白斑是TB18鈦合金組織不均勻的表現(xiàn)。單從消除白斑角度考慮，可以通過增加固溶度、預(yù)時(shí)效、延長時(shí)效時(shí)間等手段去除，但是不可避免地引起其它力學(xué)性能的惡化，最有效的處理方法是調(diào)整和優(yōu)化鍛造工藝。

4)從更精細(xì)的組織考慮，TB18鈦合金中白斑無法消除，只能從尺寸上減小，這是合金性質(zhì)決定的。

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（注，原文標(biāo)題：TB18超高強(qiáng)韌鈦合金顯微組織中白斑研究_辛社偉）