骆 晨 张 寅 王新英 梁晓波 张建伟

热处理对铸造Ti2AlNb合金组织和力学性能的影响

骆 晨1，2张 寅3王新英1，2梁晓波1，2张建伟1，2

（1. 北京钢研高纳科技股份有限公司，北京 100081；2. 钢铁研究总院高温合金新材料北京市重点实验室，北京 100081；3. 首都航天机械有限公司，北京 100076）

研究了不同热处理制度对铸造Ti-22Al-25Nb(at%)合金组织和力学性能的影响，结果表明：合金经热等静压后的微观组织由初生粗板条状O相和B2相基体组成，其室温抗拉强度达到1006MPa，塑性约为1.0%。经980℃固溶处理，铸造组织中的O相板条宽度有所增加，其拉伸强度下降接近900MPa，塑性提高到3%。铸件在1080℃固溶处理+850℃时效处理后，组织中的初生粗板条发生溶解，在B2相基体中析出细的O相板条，该种组织的室温拉伸强度超过1000MPa，但其塑性明显下降，不足1%，当时效温度提高至900℃，二次O相板条粗化，组织强度下降约100MPa，塑性没有明显改善。

铸造Ti2AlNb合金；热处理；拉伸性能

1 引言

Ti2AlNb基金属间化合物具有低密度、高比强度、良好的蠕变抗力和断裂韧性等性能特点，是以航天航空发动机为主要应用目标的新型轻质高温结构材料。研制的Ti-22Al-25Nb(at%)合金，既保持了密度低，高温强度、蠕变抗力高等性能特点，又展示出好于同类合金的塑性、韧性及加工成型性能。目前该成分合金制作的盘件、环件、板材已进入工程化应用阶段[1]。然而Ti2AlNb合金主要成型手段为锻造成型，存在加工难度大、成本较高及生产周期长等问题。

采用铸造成型可生产形状复杂、尺寸精确的高温合金部件，并大量节省机床加工工时，节约金属原材料，因此发展铸造Ti2AlNb合金能提高材料利用率、降低成本、缩短部件研制周期，是实现结构复杂构件的有效途径。

Ti2AlNb合金性能对组织敏感，如何实现材料组织与性能的精确控制成为研究的难点[2,3]。拟以成分Ti-22Al-25Nb(at%)合金为实验材料，探索铸造Ti2AlNb合金组织在不同热处理制度下的转变规律及其对力学性能的影响，为该类合金铸件的开发和应用提供一定的依据。

2 实验

按照Ti-22Al-25Nb(at%)合金（简称TAC-3A）的名义成分配料，采用真空感应悬浮炉熔炼，浇入陶瓷型壳成100mm×70mm×10mm板片，经1160℃/140MPa/2h热等静压处理后进行不同制度的热处理，热处理制度见表1。用线切割方法切取金相试样及拉伸试样。拉伸试样机加工标距为5mm×25mm的标准拉伸试棒。金相试样机械抛光后用2%HF+10%HNO3+88%H2O(Vol.%)溶液侵蚀，JSM-6480-LV扫描电镜（SEM）下观察材料微观组织。

表1 试验材料的热处理制度

3 结果和讨论

3.1 组织转变

图1 热等静压组织SEM像

由本实验条件获得的铸造TAC-3A合金宏观组织为等轴晶组织，晶粒尺寸在800～1500µm之间。微观组织由板条O相以及B2相基体组成，未发现明显的α2相颗粒的存在。如图1所示，晶界平滑，晶内O相板条密集、杂乱，与晶内相比，晶界处的板条较粗大。

TAC-3A合金经过980℃保温2h空冷，即α2+B2+O三相区固溶处理，晶粒尺寸基本没有变化，微观组织如图2所示，晶界依然保持平直，然而晶内板条明显粗化。

图2 TAC-3A合金980℃/2h FC 热处理组织SEM像

TAC-3A合金经过1080℃/2h固溶处理，和O+B2两相区850℃、900℃时效处理，对应微观组织见图3、图4。两种组织的晶界依然保持平直，初生O相板条变粗、变短，甚至消失，初生O相板条体积分数明显减少。而在B2相基体出现极细的O相二次板条，与850℃时效组织相比，900℃时效组织B2基体中析出的O相二次板条较粗大。

图3 1080℃/2h/AC+850℃/12h/A

图4 1080℃/2h/AC+900℃/12h/AC

研究表明，初生O相板条的粗化是在固溶过程中形成的。而B2基体中极细的二次O相板条是在时效过程中析出的[4]。时效的温度决定了二次析出的O相板条的尺寸和体积分数，随着时效温度升高，二次O相板条体积分数减少，而初生板条O相随时效温度改变化不大[5]。与铸造Ti2AlNb组织在固溶处理+不同时效的转变规律相吻合。

3.2 力学性能

测试上述4种组织拉伸性能，结果见表2。铸造后的热等静压组织的抗拉强度最高可达1006MPa，屈服强度均在860MPa以上，与该类合金变形组织拉伸强度接近[1]，塑性仅为1%。铸造组织与变形组织的主要差异为B2相晶粒的尺寸。由于B2相晶粒内部存在大量的板条，使得铸造组织仍具有较高的拉伸强度。而B2相晶粒粗大，晶界强度较差，拉伸时晶内组织与晶界不能协调变形，裂纹首先在晶界处形核扩展，造成合金以沿晶断裂的方式过早断裂[6]导致铸造Ti2AlNb组织室温塑性较差。

表2 不同组织的拉伸性能

经过980℃固溶处理的组织拉伸强度虽有下降，但室温塑性明显提高。Ti2AlNb合金的强度与组织中的板条尺寸关系遵从界面强化效应（即Hall-Petch效应）[7]，说明980℃固溶处理后的板条粗化，直接导致强度下降，与此同时，晶粒内部组织强度的弱化，有利于合金在断裂前有较大的变形，因而获得较高的塑性。

1080℃固溶+850℃时效获得的组织抗拉强度超过1070MPa，但塑性不足1%。可见该组织中二次O相细板条的析出强化作用大于初始O相板条溶解弱化作用；另外，二次O相板条的析出扩大了晶内组织与晶界强度的差距，使得该组织塑性更差。当时效温度提高到900℃，由于二次O相板条的粗化，该组织抗拉强度低于850℃时效组织抗拉强度，塑性有所提高。

综上所述，保证铸造Ti2AlNb合金抗拉强度前提下，提高其室温塑性是其工程化应用的首要条件。影响Ti2AlNb合金力学性能的因素主要有[8]：a.B2相晶粒尺寸；b.热处理过程中相的强度；c.B2相、O相和α2相的体积分数；d.O相板条尺寸；e.位错结构。通过对TAC-3A铸造组织α2+B2+O相区较低温度固溶处理，及较高温度固溶处理结合O+B2两相区时效处理，发现了O相板条在不同相区热处理后的变化规律和对应的拉伸性能水平。但本实验中的热处理制度对B2相晶界影响较小，如何能通过热处理改善晶界强度，有待进一步研究。另外，热处理对铸造初始组织晶粒尺寸作用有限，因此在铸造过程中细化晶粒可能是改善铸造组织塑性的有效途径。

4 结束语

a. 铸造Ti-22Al-25Nb(at%)合金宏观组织为等轴晶组织，晶粒尺寸800～1500μm，微观组织由B2相基体和O相板条组成。其抗拉强度可到达1000MPa，但塑性仅为1%。

b. 980℃固溶处理后，铸造Ti2AlNb组织中O相板条发生粗化。其抗拉强度仍保持900MPa以上，但塑性提高到3%。

c. 1080℃固溶处理850℃时效获得的Ti2AlNb组织，O相板条发生溶解，B2相基体析出二次O相细板条。其抗拉强度超过1070MPa，但塑性不到1%。随着时效温度增加到900℃，B2相基体的二次板条粗化，抗拉强度下降。

1 张建伟，李世琼，梁晓波. Ti3Al和Ti2AlNb基合金的研究与应用[J]. 中国有色金属学报，2010，20(1)：336

2 沈军，冯艾寒. Ti2AlNb基合金微观组织调制及热成形研究进展[J]. 金属学报，2013，49(11)：1286

3 Boehlert C J. The tensile behavior of Ti-Al-Nb O+Bccorthorhombic alloys[J]. Metallurgical and Materials Transcations A 2001，32：1977

4 梁晓波，程云君，张建伟. 热处理对锻造Ti2AlNb合金组织合性能的影响[J]. 中国有色金属学报，2010，20(1)：611

5 王伟，曾卫东，梁晓波. 热处理对Ti2AlNb合金显微组织及力学性能的影响[J]. 钛工业进展，2015，32(1)：16

6 Gogia A K, Nandy T K, Muraleedharan K, et al. The effect of heat treatment and niobium content on the room temperature tensile properties and microstructure of Ti3Al alloys[J]. Materials Science and Engineering: A, 1992，159：7

7 Ward C H. Microstructure evolution and its effect on tensile and fracture behavior of Ti-Al-Nb α inermetallics[J]. International Materials Reviews 1993，38(2)：79

8 Cowen C J, Boehlert C J. Microstucture, creep, and tensile behavior of a Ti-21Al-29Nb(at%) orthorhombic +B2 alloy[J]. Intermetallics. 2006，14(4)： 412

Effect of Heat Treatment on Microstructure and Properties of Cast Ti-22Al-25Nb Alloy

Luo Chen1，2Zhang Yin3Wang Xinying1，2Liang Xiaobo1，2Zhang Jianwei1，2

(1. Gaona Areo Materials, Beijing 100081；2. Beijing Key Laboratory of Advanced High Temperature Materials, Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081；3. Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

Microstructure evolution of the cast Ti-22Al-25Nb (at%) alloy during different heat treatments was investigated, while the tensile properties of the alloy with different heat treatments were tested. It is found that the cast alloy microstructure after hot isostatic pressing is composed of O phase laths and B2matrix, which of the room tensile strength come to 1006MPa, the room ductility is about 1%. During 980℃ solution treatment, the width of O phase laths increases, and the tensile strength decreases to 900MPa, the ductility increases to 3%. After 1080℃ solution plus 850℃ aging treatment, the original O phase laths in the microstructure solves and the fine O phase lamellae precipitates from B2matrix, the tensile strength of the microstructure is above 1000MPa, but the ductility decreases obviously, which is less than 1%. When the aging temperature raises 900℃, the second O phase lamellae croses, and the tensile strength decreases about 100MPa, the ductility increases a little.

cast Ti2AlNb alloy；heat treatment；tensile properties

骆晨（1987），硕士，材料学专业；研究方向：钛铝金属间化合物铸造及热处理方向。

2020-03-26