航空發動機用大規格TC17鈦合金棒材顯微組織均勻性研究

TC17鈦合金名義成分為Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr（質量分數，w/%）,是一種最高使用溫度為427℃的高強、高韌和高淬透性的富β相兩相鈦合金[1,2]，被廣泛用于制造航空發動機風扇和壓氣機盤件。為得到具有良好斷裂韌度和蠕變性能的TC17鈦合金鍛件，通常先在α+β兩相區多火次鍛造得到雙態組織，再經單火次β鍛造得到網籃組織[3]。棒材的組織均勻性直接影響鍛件的組織和性能。組織不均勻的棒材被加熱到相變點以上，極易出現局部原始β晶粒粗大的問題，進而影響盤類鍛件的性能[4]。由于TC17鈦合金中含有4%的易偏析元素Cr,有較為嚴重的β斑傾向，因而大規格棒材鍛造難度較大[5,6]。隨著新一代航空發動機向風扇和壓氣機盤級數減少、轉速增加、高溫段前移、結構整體化發展[7]，航空發動機風扇盤鍛件對尺寸的要求不斷增大，亟需對大規格TC17鈦合金棒材組織進行深入研究,這將對于制備組織均勻的大型整體葉盤類鍛件至關重要。

王凱旋等[8]采用β單相區開坯+兩相區多火次鍛造得到大規格TC17鈦合金棒材，利用光學顯微鏡分析了棒材不同部位的顯微組織，未發現不連續的晶界α相、長條α相、大塊團聚α相等異常組織,從邊緣到中心位置的β晶粒大小一致，無異常大晶 粒出現，均勻性良好。對于TC17、TC19等后續進行β鍛造的鈦合金，需要獲取半成品棒材顯微組織中的原始β晶粒形貌，以確定顯微組織均勻性能否滿足需求。目前，普遍通過分析初生等軸α相形貌和含量等特征來判別鍛件的組織均勻性。但在實際棒材評估中發現，在光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡下不同部位初生α相等軸化良好，含量無明顯差異,未見較長的斷續晶界α相，且難以觀察出原始β晶界的痕跡，因而無法判定原始β晶的粒均勻程度。電子背散射衍射(electron backscatter diffraction,EBSD)技術是材料學研究的重要表征手段之一，在研究材料晶體學取向、織構、相變及其位向關系等方面有著獨特的優勢。本研究采用EBSD技術分析大規格TC17鈦合金棒材不同部位等軸α相和β基體相的取向分布，表征原始β晶粒并分析其組織均勻性，以期為大規格TC17鈦合金棒材鍛造工藝優化和相關檢驗方法改進提供借鑒。

1、實驗

實驗所用TC17鈦合金鑄錠經3次真空自耗熔煉而成，鑄錠直徑為750mm,化學成分(質量分數,w/%)為 A15. 23 , Sn2. 07, Zr2. 01, Mo4. 10, Cr3.90, Fe0.05 , O 0. 10,Ti余量。鑄錠經β單相區和α+β兩相區多火次鍛造得到φ500mm棒材，采用金相法測得其(α+β)/β相轉變溫度為900 °C。從棒材上切割30mm厚試片，進行雙重固溶退火(840℃ 1h/AC +800 °C/4 h/WC)和時效(630 ℃/8h/AC)處理。從熱處理后試片縱剖面的心部和邊緣各取15mm X 10 mm的方形金相試樣和EBSD試樣，然后進行研磨和機械拋光處理。金相試樣用Kroll腐蝕液(5%HF + 10%HNO₃ +85%H₂O)腐蝕后，采用 LeicaDMI 3000M型臥式金相顯微鏡進行組織觀察。EBSD試樣經過電解拋光(電解拋光液配比為：5vol%高氯酸、35vol%正丁醇和60vol%甲醇)后，采用配備Hikar'i XP探頭的JSM 7900F掃描電子顯微鏡進行EBSD觀察和分析，測試掃描步長為0.5μm。利用OIM軟件對EBSD數據進行處理。

2、結果與分析

2.1顯微組織分析

圖1為鍛態和熱處理態TC17鈦合金棒材不同部位的金相照片。由圖1可知，熱處理前后TC17鈦合金棒材邊部和心部的顯微組織無明顯差異，均為細小均勻的雙態組織。其中，熱處理態組織由等軸初生α相和含針狀α相的轉變β相組成(圖1c)。在α+β兩相區有較為充分的變形，由α片層集束球化形成的初生α相等軸化良好，未見朝某一方向拉長,方向性弱；未見較長的斷續晶界α相和團聚的大塊α相，難以辨別原始β晶界。邊部和心部的等軸初生α相比例無明顯差異，均為30%左右，但由于自由鍛后冷卻速度的差異，心部等軸初生α相平均晶粒尺寸約為5.4μm,大于邊部的4. 2μm然而，僅僅是等軸初生α相尺寸的差異并不足以導致棒材后續加熱到β單相區出現局部晶粒粗大的現象，需要對組織進行取向分析。

2.2 α相和β相取向分析

TC17鈦合金棒材經α+β兩相區多次熱變形后，β相在取向、局部織構和晶界演變上會發生顯著的變化，相比于變形前晶體取向雜亂且出現很多小角度和大角度晶界[9,10]。當TC17鈦合金加熱到相變點以上后，無論是否發生變形，原始β晶粒內部的β相均保持同一取向[11,12]，因此本研究將TC17鈦合金棒材組織中β相取向基本相同的“宏區”認定為一個原始β晶粒。另外，本研究熱處理制度為兩相區雙重固溶和時效，不會對β相取向產生影響，因此僅對熱處理態的組織進行取向分析。

圖2為TC17鈦合金棒材邊部和心部的β相取向分布圖。圖3為TC17鈦合金棒材邊部和心部的β相反極圖。由圖2a可知，棒材邊部經過充分的大變形后，整個掃描區域內β相取向雜亂，相鄰β晶粒之間的取向差較大，大部分原始β晶粒（圖2中黑色輪廓）被顯著破碎至200μm以下，存在＜111 ＞與棒材拔長方向平行的弱絲織構，織構強度僅約為1. 5（圖3a） 。由圖2b可知，棒材心部組織中原始β晶粒尺寸較大，大部分可達200 ~400μm, β相的取向分布趨于均勻，也存在＜111 ＞與棒材拔長方向平行的弱絲織構，但強度增加到2. 5（圖3b） 。因此，對于大規格TC17鈦合金棒材，即使其組織在光學顯微鏡下較為均勻，依然可能存在粗大原始β晶粒，有必要對其進行β晶粒度檢查。由于TC17鈦合金易產生β斑，Liitjering等[13]建議鑄錠直徑不宜超過750 mm,且需要在鑄錠熔煉后增加長時間的β單相區均勻化熱處理以改善合金元素偏析[6]。鑄錠的原始β晶粒粗大，加上TC17鈦合金兩相區變形抗力較大，在鍛造大規格棒材時，心部和邊部存在較大的變形量差異，邊部集中了較大的變形量，導致形成扭折狀的α相并通過增加位錯密度促進β相的連續動態再結晶，等軸α相的尺寸影響了β相取向的演變，當細小彌散的等軸α相嵌入β基體中，其可作為釘扎的“第二相粒子”，通過晶界滑動促進β相的再結晶，甚至在較高的應變速率下，通過動態回復再結晶形成更多更細小的再結晶β晶粒[9]。而心部組織由于變形量較小，加上晶粒之間的協調變形，小部分取向的晶粒變形難度大，熱變形過程中產生的位錯和亞晶界等較少，后續加熱使大部分變形晶粒發生回復，因而β相再結晶比例小，依舊保持了粗大的晶粒。雖然心部的變形量較小，但足以將粗大的晶界α相斷開，導致未見較長的斷續晶界α相和團聚的大塊α相，以至于在金相顯微鏡下難以發現原始β晶界的痕跡。

圖4為TC17鈦合金棒材邊部和心部的α相取向分布圖。由圖4a、4b可知，邊部和心部組織中等軸初生α相的取向分布雜亂，宏觀區域內均未出現某單一取向的等軸α相聚集，與β基體的取向無明顯聯系，適當的變形量促進α片層球化為取向雜亂的等軸α相。由圖4c可知，針狀α相的取向相對雜亂，針狀α相為鍛后冷卻和時效過程中析出的次生α相，可以認為在鍛后冷卻和時效熱處理過程中，β相的轉變過程中發生了α相的變體選擇[14]。單個孤立的等軸初生α相內部存在亞晶界且取向差較小(圖4c),為小角度晶界。因此，增大心部變形量可能在等軸α相內部形成大角度晶界甚至達到細化晶粒的效果，有機會改善因冷卻速度導致的等軸α相尺寸差異。

3、結論

(1) 大規格TC17鈦合金棒材邊部和心部組織中初生α相等軸化良好，取向分布均勻，宏觀區域內均未出現單一取向的等軸α相聚集。

(2) 邊部等軸α相晶粒尺寸明顯小于心部，鍛后冷卻速度是影響等軸α相晶粒尺寸的主要因素,邊部等軸α相內部存在亞晶界組織，多為小角度晶界。

(3) 邊部和心部區域在光學顯微鏡下原始β晶界不明顯；通過EBSD分析可知心部組織原始β晶粒破碎程度不足，晶粒尺寸較大。對于大規格TC17鈦合金棒材，有必要增加β晶粒度檢査以規避后續出現粗大原始β晶粒的風險。

參考文獻 References

[1 ] Chen W. High temperature deformation behavior of TC17alloy [ J ]. Materials Sciences and Applications, 2018, 9(9): 732-739.

[2] 鄧雨亭，李四清，黃旭，等.航空發動機用0鍛TC17鈦合金時效析出行為研究[J].航空制造技術，2018, 61(9): 59 -63.

[3] 俞漢清，曾衛東，周義剛，等.Ti-17合金0鍛造研究[J].西北工業大學學報，1995, 13(3)： 340 - 345.

[4] Shi X H, Zeng W D, Zhao Q Y. The effects of lamellarfeatures on the fracture toughness of Ti-17 titanium alloy [ J ].Materials Science and Engineering A, 2015, 636: 543-550.

[5] Shamblen C E. Minimizing beta flecks in the Ti-17 alloy[ J].Metallurgical and Materials Transactions B, 1997, 28: 899-903.

[6 ] Avyle J, Brooks J A, Powell A C. Reducing defects inremelting processes for high-performance alloys [ J ]. Journalof Materials, 1998, 50(3) : 22-25.

[7] Paniagua G, Szokol S, Kato H, et al. Contrarotating turbineaero-design for an advanced hypersonic propulsion system[J]. Journal of Propulsion and Power, 2008, 24(6) : 1269-1277.

[8] 王凱旋，馮貞偉，丁永峰，等.TC17鈦合金超大規格棒材的制備[J]?鈦工業進展,2014, 31(5)： 32-35

[9] Li L, Li M Q, Luo J. Mechanism in the 0 phase evolutionduring hot deformation of Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr with atransformed microstructure [ J ]? Acta Materialia, 2015, 94:36-45.

[10] Germain L, Gey N, Humbert M, et al. Texture heterogeneitiesinduced by subtransus processing of near a titanium alloys[ J].Acta Materialia, 2008, 56(16) : 4298 -4308.

[11 ] Salib M, Teixeira J, Germain L, et al. Influence of trans-formation temperature on microtexture formation associatedwith a precipitation at 0 grain boundaries in a 0 metastabletitanium alloy[ J]. Acta Materialia, 2013, 61(10) : 3758-3768.

[12] 鄧雨亭，李四清，黃旭.0鍛TC17鈦合金力學性能各向異性研究[J].稀有金屬,2018, 42(8)： 885 -890.

[13] Liitjering G, Willians J C. Titanium [ M ]. 2nd Edition.Heidelberg: Springer-Verlag, 2007 : 63?

[14] 趙子博，王國強，楊曉龍，等.Ti-6246中。相轉變織構的形成機制[J].材料研究學報，2017, 31(10)： 796-800.