董志国，郑友平，曾卫东，薛 晨，梁晓波

(1.中国航发沈阳发动机研究所，辽宁 沈阳 110015)(2.西北工业大学 凝固技术国家重点实验室，陕西 西安 710072)(3.钢铁研究总院，北京 100081)

0 引 言

Ti2AlNb基合金具有质轻、高温强度高、抗氧化性能优良等优点，是航空发动机高温零部件的首选材料之一[1-2]。钢铁研究总院研制的Ti2AlNb基合金系的Ti-22Al-25Nb合金具有优异的综合性能，成为目前国内钛合金领域研究的热点。

金属材料的晶粒长大一直是国内外材料研究工作者研究的热点。早期研究，主要是以Smith等人为代表的针对晶粒长大过程中组织形态特征的研究。从20世纪60年代开始，以Zener和Hillert[3-4]为代表的研究，逐渐从原子角度转移到从晶粒角度研究晶粒长大过程。70年代，Sellars等人[5]提出了用数学模型来描述轧制及其冷却过程的组织特征，并建立了晶粒尺寸和再结晶体积分数的半经验公式。80年代后期至今，陆续出现了一些描述晶粒长大的新的理论模型，如Kopp等人[6]建立了低碳钢二维镦粗过程中晶粒尺寸和再结晶体积分数的经验公式；Shen等人[7]对GH864高温合金二维镦粗过程进行了数值模拟，预测了饼坯的晶粒尺寸和再结晶体积分数；Satio[8]在热力学、经典形核以及核长大理论的基础上，建立了结构钢的组织演变模型。

Ti-22Al-25Nb合金通常在α2+B2两相区进行加热锻造，而在锻造前的加热和保温过程中，B2相晶粒会以晶界迁移的方式长大[9]。根据Hall-Petch公式以及细晶强化理论，我们知道B2相晶粒尺寸对材料的力学性能有着重要影响。因此，为了更好地控制Ti-22Al-25Nb合金热加工后的组织形态，获得良好的综合力学性能，以满足工程化应用的要求，迫切需要系统地研究Ti-22Al-25Nb合金B2相晶粒在α2+B2两相区的长大行为，为Ti-22Al-25Nb合金工程化应用生产工艺的制定提供可靠依据。

本研究通过在α2+B2两相区对Ti-22Al-25Nb合金棒材进行不同温度和不同保温时间的热处理试验，分析Ti-22Al-25Nb合金B2相晶粒在α2+B2两相区的长大行为。

1 实 验

实验材料为钢铁研究总院提供的Ti-22Al-25Nb(原子分数,下同)合金棒材。其显微组织如图1所示，由等轴α2相、O相包裹着的等轴α2相、板条状O相和B2相基体构成。在Ti-22Al-25Nb合金原料棒材上切取尺寸为16 mm×16 mm×20 mm的试样若干，分别在1 000、1 020、1 040、1 060 ℃，进行10、30、60、120、240、360 min的热处理试验。热处理试验的加热在箱式电阻炉中进行，冷却方式均为水冷。

图1 Ti-22Al-25Nb合金棒材的金相照片Fig.1 Metallograph of Ti-22Al-25Nb alloy bar

将热处理后的Ti-22Al-25Nb合金试样制成金相样，观察其显微组织。

采用Image pro plus 软件，利用截线法在金相照片上定量统计B2相晶粒尺寸。为保证统计结果的准确性，每个热处理条件选取5张不同视场的金相照片统计B2相晶粒尺寸，并取5个数值的平均值。

2 结果与分析

2.1 不同加热温度下B2相晶粒的长大行为

图2所示为Ti-22Al-25Nb合金B2相晶粒尺寸随加热温度的变化曲线，可见加热温度对B2相晶粒尺寸有显著影响。在不同的保温时间下，B2相晶粒尺寸随着加热温度的升高几乎都呈线性增长，且增长的速率也几乎相同。

图2 Ti-22Al-25Nb合金B2相晶粒尺寸随加热温度变化曲线Fig.2 Variation of B2 grain size with heating temperature for Ti-22Al-25Nb alloy

以保温时间为240 min的热处理试验为例，来分析加热温度对Ti-22Al-25Nb合金B2相晶粒长大行为的影响规律。图3给出了Ti-22Al-25Nb合金在不同加热温度保温240 min的金相照片。当Ti-22Al-25Nb合金加热温度为1 000 ℃时(图3a)，在B2相晶粒内和晶界上存在大量的α2相颗粒， B2相晶粒尺寸为255 μm，尺寸较小；当加热温度升高到1 020 ℃时(图3b)， B2相晶界上的α2相颗粒已基本溶解，B2相晶粒内部还存在部分α2颗粒，此时B2相晶粒尺寸为291 μm，明显大于图3a中的B2相晶粒尺寸。对比这两个条件下热处理后的组织还可以发现，等轴α2相颗粒的含量较大时，B2相晶粒尺寸较小；等轴α2相颗粒减少，B2相晶粒尺寸增大。表明α2相颗粒，特别是位于B2相晶界上的α2相颗粒，对B2相晶界迁移起到了很好的抑制和钉扎作用，阻碍了B2相晶粒的长大。随着加热温度升高到1 040 ℃(图3c)，α2相颗粒的数量进一步减少，对B2相的钉扎作用继续弱化，B2相晶粒长大到322 μm。当加热温度升高到1 060 ℃时(如图3d)，B2基体上几乎没有α2相颗粒存在，这时B2相晶界迁移不再受到α2相颗粒阻碍，B2相晶粒长大更加容易，长到了345 μm。

B2相晶粒长大过程实质上是晶界上的原子跨越晶界界面迁移、扩散的过程，是热激活过程。一般来说，温度越高，晶界上的原子迁移、扩散越容易，晶界迁移的速度越快，晶粒也长得越快。因此，随着加热温度升高，B2相晶粒呈现出近乎线性增长的趋势。

图3 Ti-22Al-25Nb合金在不同加热温度下保温240 min的金相照片Fig.3 Metallographs of Ti-22Al-25Nb alloy at different temperatures for 240 min:(a) 1 000 ℃; (b) 1 020 ℃; (c) 1 040 ℃; (d) 1 060 ℃

2.2 不同保温时间下B2相晶粒的长大行为

图4所示为Ti-22Al-25Nb合金B2相晶粒尺寸随加热时间变化曲线。从图中可见看出，加热时间对Ti-22Al-25Nb合金B2相晶粒尺寸同样有着重要影响。在不同的加热温度下，随着保温时间延长B2相晶粒长大速度均呈现出先快后慢的变化规律。晶粒尺寸则遵循Hillert的模型[3,10]，即在一定的温度下，晶粒尺寸与保温时间成幂指数关系。在保温时间不大于60 min的情况下，B2相晶粒长大速度均较快，随着保温时间的进一步延长，B2相晶粒长大速度开始下降，且加热温度越高，这种先快后慢的变化趋势越明显。

图4 Ti-22Al-25Nb合金B2相晶粒尺寸随加热时间变化曲线Fig.4 Variation of B2 grain size with soaking time for Ti-22Al-25Nb alloy

图5给出了 Ti-22Al-25Nb合金在1 020 ℃不同保温时间的金相照片。从图中可以看出，合金的组织主要由B2相基体和α2相颗粒组成。当加热时间为10 min时(见图5a)，B2相基体内的α2相颗粒较多。这是因为原始组织中部分O相溶解到B2相基体中，并有一些转化为α2相；另外，α2相颗粒尺寸还会有一定程度的减小，这主要是因为在α2+B2两相区，包裹在等轴α2相颗粒外表面的O相溶解到B2相基体中，导致α2相颗粒尺寸减小。虽然α2相颗粒对B2相晶粒长大具有一定的钉扎作用，导致B2相晶粒的尺寸比B2单相区的B2相小，但是要比原始组织的B2相晶粒大得多，具有快速长大的趋势。这主要是由于加热时间较短，B2相晶粒尺寸小，晶界扩散的驱动力较大。随着保温时间延长到60、360 min(图5b、5c)，等轴α2相颗粒不断溶解到B2相基体中，数量越来越少，原始组织中的B2相晶粒由于缺少了α2相颗粒的钉扎作用，晶界扩散容易，导致B2相晶粒尺寸逐渐增大。但是随着B2相晶粒的持续长大，晶界逐渐减少且迁移驱动力下降，晶粒长大速度变缓，呈现出如图4所示的先快后慢的长大趋势。

图5 Ti-22Al-25Nb合金在1 020 ℃下保温不同时间的金相照片Fig.5 Metallographs of Ti-22Al-25Nb alloy at 1 020 ℃ for different time: (a) 10 min; (b) 60 min; (c) 360 min

基于以上分析可知，Ti-22Al-25Nb合金在α2+B2两相区加热，其组织演变是α2相颗粒向B2相转变，数量逐渐减少，而B2相晶体晶粒不断长大的过程。

3 结 论

(1)Ti-22Al-25Nb合金在α2+B2两相区加热时，基体B2相的晶粒尺寸随着加热温度的升高而增大，α2相颗粒对B2相晶界的迁移具有钉扎和阻碍作用，从而很好得抑制了B2相基体晶粒的长大。

(2)随着保温时间的延长，B2相晶粒尺寸的长大速度呈现先快后慢的规律。这主要是由于当加热时间较短时，B2相晶粒尺寸较小，晶界扩散的驱动力较大，晶粒长大速度加快；而随着加热时间的延长，B2相晶粒尺寸不断增大，晶界迁移驱动力减小，晶粒长大速度降低。

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