钛合金热织构的研究进展

钛合金热织构的研究进展

钛合金是一种非常重要的轻结构材料。它在航空、航空航天、车辆工程、化工、造船、生物医学工程、娱乐休闲等领域具有重要的应用价值和广泛的应用前景。它也是国内外材料研究的热点。钛合金的主要优点包括比强度高,高温性能好,抗腐蚀性能优异等,因此应用于其他合金综合性能不能满足的产品中。钛在不同的温度范围内,结晶成不同的晶体结构,随着温度的变化,会发生同素异晶转变。低温时,纯钛和部分钛合金的晶体结构为密排六方结构(hcp),称为α相,高温时,为体心立方结构(bcc),称为β相。按照室温相的组成和含量,将工业钛合金分为以下四种:α钛合金,近α钛合金,α+β钛合金,β钛合金,且这四种合金的产生均与添加的合金元素有关。钛合金的织构的形成和演变主要受到相变,再结晶,和热变形等因素的影响,而其又决定钛合金产品的使用性能,因此,在生产和加工过程中,必须考虑织构的存在。本文中总结了国内外钛合金织构的形成和演变的研究进展。1局部组织的形成机理α+β两相钛合金在β相变点以上保温退火后,慢速冷却,会形成魏氏组织,该组织主要由若干α片层集束无规则排列并由晶界α相包围的粗大原始β晶粒组成。α片层的厚度与冷却速度有关。目前国外一些研究人员对魏氏组织中微观织构的形成机理进行了深入探讨。早在1934年,Burger提出金属锆(与钛合金同属一种类型)的体心立方的bcc相转变成密排六方的hcp相的过程中遵循一种取向关系,即{0001}α∥{110}β‚<112¯0>α∥<111>β,这种关系决定了相变过程中晶界和晶内片层α相从β相中析出时形成的特殊的晶体学取向关系,如图1所示。随着电子背散射衍射技术(EBSD技术)的发展,Bhattacharyya等基于这种特殊关系研究了两相钛合金魏氏组织(图2(a))中晶界α相和晶内集束α相的晶体学和几何关系,并较系统地解释其形成机理。他们指出,在同一β晶粒内部,呈不同的几何方向的α集束之间,可能有非常相近的晶体学取向关系;如果相邻的两个β晶粒的<110>β晶向呈约10.5°时,可以促进晶界处片层α相分别生长进入这两个β晶粒,且这两组α集束的取向相同,但是生长方向呈大约89°;大量的事实表面,当{110}β面为两个相邻的β晶粒所共有时,晶界α相以{0001}α‖{110}β取向关系析出的过程中,相界面能趋于最小化,因此,由于α相的{0002}面间距约等于β相的{110}面间距,伴随着形核活化能的减小,α相的形核尺寸减小。为了提高钛合金产品的性能,可以通过一系列的加工手段使得其微观组织变得均匀,但是难以均匀化其局部取向分布。钛合金的双态组织主要是由初生等轴的α晶粒和次生的片层α相与β相相间存在的一种组织,是钛合金典型组织的一种,如图2(b)所示。双态组织中存在局部区域强织构,称之为“广域”,常常出现在半成品中和锻造盘件中,由于这种局部强织构的存在,可能在塑性变形过程中形成局部裂纹,为了提高钛合金的疲劳性能,避免这种“广域”的形成非常重要,因此“广域”的形成机理也受到研究人员的关注。Germin等借助EBSD技术,通过近α钛合金TIMETAL834的魏氏组织热变形实验,系统地阐述了在α+β两相区热变形时“广域”的形成机制。研究表明,“广域”内部,相邻的初生α相和次生α集束有不同的形成机理,但是有相同的主要晶体学取向,这主要是由于最初的魏氏组织中同一集束以相同的方式变形,变形后β相和初生等轴α相仍存在伯格斯取向关系,或者以密排面平行的方式存在,而由于密排六方结构的α相在变形过程中受到其本身性质的限制,导致初生等轴α相产生的新取向很少,因此在β相向α相转变过程中,新产生的集束(遵循伯格斯取向关系)同周围粗生等轴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相转变的变体选择,并指出钛合金的微观组织和织构与β相向α相的转变的扩散过程密切相关。由于魏氏组织的形成过程中12种变体等可能形成,但是测量结果表明α相基面织构比预测的更强,说明β相向α相转变过程中的变体选择是值得注意的,而这种变体选择是由于在几乎平行的<110>晶向的两个β晶粒之间α相发生优先形核而产生,且<110>方向与新形成的α相的c轴平行,这种变体选择机制可以用来较精确仿真相变织构。国外不少研究人员探索了β相向α相转变的机制及织构的遗传性等,但是较少研究α相向β的转变机制和相变织构,这主要是由于高温下β相的冶金形态信息难以获取,而其室温下却处于不稳定状态。Gey和Humbert等通过在连续加热过程中织构的改变研究α相向β相的转变机理,Ti-6Al-4V在冷轧和后续的退火β相呈现强织构,主要为(0°,40°,45°)和(180°,40°,45°),而该织构的形成无法使用伯格斯取向关系来解释。由于β相的形核对相变织构的形成有重要的影响,α相转变为β相的相变机制与早先存在的β晶核的生长有直接关系。Gey和Humbert等也利用EBSD技术基于相变过程中的变体选择更加系统地解释了β相向α相转变过程中的织构遗传性。Glavicic等研究了双态组织中微观织构的起源和次生α相织构的测试方法,指出双态组织中微观织构与初始的β晶粒晶界有直接关系,全部的次生α相和部分初生α相存在一种晶体附着关系,这种附着关系与先前的β晶粒成对出现导致了局部微观织构的形成。EBSD技术的发展对钛合金织构的研究起了至关重要的作用,可以将钛合金特有的复杂组织和微观晶粒取向结合研究,以便更好地解释其微观组织和织构形成机理。常见的使用EBSD技术的研究方法有如下几种:(1)标出退火态的魏氏组织中,晶界α相和晶内α相的集束同β相的晶体学取向关系,进而探究魏氏组织和相变织构的形成机理以及相变过程中的变体选择;(2)魏氏组织两相区热变形后的再结晶织构和变形织构的演变(利用软件进行分别计算);(3)获得组织中不同区域的施密特因子,进而评价其变形难以程度和变形协调性;(4)研究相变过程中织构的遗传性。2我国亚稳定的钛合金织构在我国设置的应用目前国内对钛合金的织构和从晶粒取向方面研究钛合金的组织和织构的形成机理的研究还比较少,将电子背散射衍射技术应用于钛合金织构和微观取向的研究还处于探索阶段。研究的钛材料主要是国内自主研发的TA和TC等系列合金,以及一些亚稳定的β型钛合金等。北京科技大学尤力等通过对Ti-18Nd-4Sn合金进行轧制及退火处理,研究其对亚稳定的β钛合金织构的影响。研究表明,轧制变形过程导致了织构的产生,随着变形量的增加,织构强度有所增强,且{223}<110>型织构增强最为明显;冷轧后的退火对不同变形程度的样品影响不同;大变形程度冷轧后的退火促进{111}<112>再结晶织构的形成。李兴无等研究了退火温度对航空用两相钛合金Ti-3Al-4.5V-5Mo织构的影响,并对α相和β相分别进行了讨论。倪恒飞等就当时的研究现状总结了钛合金的形成和影响因素,并指出不同的织构对力学性能(弹性模量、屈服强度和拉伸性能等)的影响。3织构及相关研究进展织构普遍存在于多晶体材料中,且对改进材料的性能起着至关重要的作用。由于钛合金组织的复杂性和变形过程中相变、再结晶和两相的变形协调性等综合因素的影响,导致其织构的研究一直是国内外研究学者探索的重点和难点。由于电子背散射衍射技术的发展和在钛合金研究中的合理应用,目前国外对钛合金织构以及相关的研究进展主要体现在以下几个方面:(1)由于魏氏组织形成过程中的变量选择导致的织构,以及形成的机理;(2)β相向α相转变的织构遗传性及产生机制;(3)α相向β相转变的织构遗传性的推测;(4)双态