超高強韌TB18亞穩β鈦合金固溶時效態白斑異常組織的多尺度表征、形成根源解析及鍛造-熱處理協同調控工藝研究

1、引言

工藝決定組織結構，組織結構決定力學性能，因此對鈦合金顯微組織結構進行研究尤為重要。目前，傳統鈦合金分為4種組織形態:等軸組織、雙態組織、魏氏組織和網籃組織[1]。在合金成分確定的前提下，這4種組織形態往往通過后期的加工和熱處理進行調控，不同的組織對應不同的力學性能優勢。然而，在實際加工中，人們往往會獲得不同于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，這些異常組織會對力學性能產生重要影響[2-3]，因此需要深入細致的研究。現有文獻表明，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]。對于這些問題，科研人員給予了深入系統的分析，根據分析結果，針對性的通過工藝的改進消除相關異常組織，為鈦合金制備工藝的不斷優化提供了基礎理論指導。

近年來，隨著裝備的不斷提升，對合金性能提出更高的需求，特別是高強韌鈦合金，以TB6、TC18和Ti-55531合金為代表的高強鈦合金已經無法滿足高強度的使用要求[12-13]，需要研制更高強度的新型高強韌鈦合金，由于新研合金具有創新性，在制備過程中不可避免地出現一些

新的異常組織，這些異常組織對合金力學性能具有重要影響，亟待解釋。

本工作研究對象為一種新型高強韌鈦合金TB18[14-16]，該合金是一種1300MPa級超高強韌鈦合金，其為Ti-Al-Mo-V-Cr-Nb系的6元合金，合金Mo當量達17，相變點為790℃，為典型的亞穩β合金。為了獲得良好的強度和斷裂韌性匹配，前期的大量研究表明，該合金使用狀態為兩相區鍛造后β區固溶+時效的熱處理工藝。該狀態下，合金可以滿足強度超過1300MPa的同時，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區固溶+時效后晶粒內部或跨晶界出現明顯較為均勻分布的白斑，這種白斑嚴重影響合金組織和力學性能的均勻性。針對該異常組織情況，本研究主要系統分析了白斑的性質、其對力學性能的影響以及可能的形成原因，該研究結果可以為TB18合金制備過程中工藝改進和組織的優化提供基礎指導。此外，對于高Mo當量的亞穩β高強韌鈦合金，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”，本研究結果也會對相關問題的分析和解釋提供重要參考。

2、實驗

試驗材料來自西部超導材料科技股份有限公司生產的不同批次TB18合金Φ400mm棒材，該棒材經過雙相區終鍛后，采用870℃/2h,AC+525℃/4h,AC的熱處理工藝，該工藝是前期經過大量試驗獲得的最佳熱處理。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。本實驗所有的樣品來自帶白斑批次棒材和正常組織批次棒材。對樣品進行力學性能測試、顯微組織觀察和進一步熱處理試驗，測試白斑樣品的力學性能、顯微硬度，觀察白斑組織結構演化，分析白斑形成機制和和消除白斑可采取的措施。

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

3、結果與分析

3.1白斑形貌分析

3.2白斑對性能的影響

表1為不同樣品對應的力學性能，可以看出含白斑樣品強度低于正常樣品,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度，提高了合金塑性和韌性。對白斑樣品的白斑區和正常區進行維式顯微硬度測試，白斑區維氏顯微硬度平均為305HV，正常區為380HV。白斑區硬度顯著低于正常區硬度，證明白斑區為組織中的軟相。圖2為白斑樣品的SEM形貌。可以清楚地觀察到正常區為均勻析出的細小彌散α相，而白斑區沒有任何a析出。此外，對于TB18合金，進行單獨β區固溶處理后，合金強度顯著下降，塑性和沖擊韌性顯著提高，固溶樣品的顯微硬度和白斑區相近，因此可以確定白斑區為無α相析出的β相。

由于在時效過程中，局部析出動力不足，導致形成未析出區。由于沒有α相的析出，為單一的β相，耐腐蝕性能增強，在光學顯微鏡下為鏡面反射，顯示為白斑。而且由于其為單相β，區域內無α相的析出，因此硬度低、塑性高、沖擊韌性高。

表1不同樣品的力學性能

3.3白斑成分分析

很顯然，出現白斑是由于α相的不均勻析出導致，在白斑區，由于析出動力不足，導致形成無α相析出的單一β相。造成析出動力不足的原因很多，其中一個原因是微區的Mo當量增加，導致β相穩定性增加。由于TB18屬于典型的亞穩β鈦合金，Mo當量高達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現合金元素的均勻化，可能存在β穩定元素的偏聚區，導致局部Mo當量升高，β相穩定性增加。因此，對微區的成分進行了分析。采用了選區、打點等方法對數十個樣品白斑區和非白斑區進行了近百個能譜分析，2個區域的主元素含量平均值如表2所示。結果表明，合金元素并沒有存在分布不均勻情況，白斑區的β穩定元素含量反而略低于正常區域，這主要是由于腐蝕造成。對于α相正常析出區，β穩定元素會在a和β相之間進行重新分布，使得β相中β穩定元素含量高于未析出α相的區域。這樣的組織在腐蝕過程中，a和β相界面優先腐蝕，由于α相片層厚度很小，導致α相更多被腐蝕，殘留更多的基體β相，

表2圖2中標記區域的EDS成分分析

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

因此正常區β穩定元素反而略高于白斑區。為了避免腐蝕的影響，對試樣拋光后采用精度更高的電子探針進行分析，結果發現不同區域元素的分布并沒有規律性的不同。進一步證明了白斑的存在并不是由于元素的分布不均導致微區β穩定系數增高造成的。

3.4白斑EBSD和TEM分析

排除了元素分布不均導致的微區β穩定系數的不同，需分析是否存在晶粒內部取向的差異而導致的局部形核動力的不同。因為對于β晶粒，由于微區變形的差異，會在晶粒內部形成取向差[17]，這些取向差會影響第二相析出的形核[18]。因此進行了白斑區和正常區的EBSD分析，分析結果如圖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個晶粒內沒有顯示出任何微區取向的不同。圖3d為單個晶粒放大的IPF，可以看到雖然晶內存在白斑(圖3c)，但微區取向沒有任何差別。因此可以判定晶粒內析出的不同與晶內微區取向沒有關系。為了進一步更直觀地觀察和確認晶粒內白斑和正常區組織，進行了TEM分析，如圖4所示。圖4a顯示正常析出區形貌，衍射斑點進一步明確為非常細小的片層α相，α片層厚度約為50nm，正是由于TB18合金在時效過程中可以析出大量極為細小彌散的片層a，合金才具有超過1300 MPa以上的強度。圖4b為白斑區的形貌，可以看到白斑區沒有任何析出物,衍射斑點進一步證實其為體心立方的β相。在TEM中對白斑區和析出區能譜進行了分析，選擇位置如圖4c所示，其微區能譜結果和電子探針結果相似，都表明白斑區元素成分和析出區相同，進一步排除了微區元素不均勻的影響。

3.5熱處理對白斑的影響

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

考慮的第1種方法是不改變現有熱處理工藝參數的前提下，增加低溫預時效。因為現有的熱處理時效溫度高，時效后形成α相，α相屬于穩定相，形核能高，對形核位置有選擇性，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，導致不均勻析出[19]。而較低溫度的預時效可以形成一些亞穩過渡相，其形核能低，便于彌散析出[20]。后續在預時效的基礎上增加二級正常時效，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℃預時效，然后在525℃時效后的顯微組織。對比圖5a和圖1c可以看到，預時效可以明顯改善α相的析出行為，α相的析出均勻性提高，白斑顯著減少。對比圖5a和5b，可以看到固溶水淬+預時效后可以明顯改善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中晶粒內的灰色區域全部為更為均勻細小的α相，白斑完全消失。主要是因為水淬的固溶能力更強，同時可以保留大量空位等缺陷，有利于過度相在晶內的形核析出，從而獲得更為彌散細小的α相，完全消除了白斑。經過預時效處理后，雖然可以改善β相的均勻析出能力，形成更為均勻細小彌散分布的α相，一定程度提高合金的強度，但合金的塑性、沖擊韌性和斷裂韌性會降低。

除預時效外，在原有時效溫度的基礎上，進一步增加時效時間，促進未析出區的進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時效基礎上延長時效時間到8h，可以看到隨時效時間的延長，未析出區逐漸開始析出。證明雖然白斑區α相析出動力不足，但通過延長時效時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、降低時效溫度、延長時效時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，顯著影響了合金強度、塑性和韌性匹配。

4、討論

4.1鍛造對白斑的影響

對于本研究的樣品，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的均勻性沒有關系，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，都是包含有細小等軸α相的雙態組織(圖1a)，并且后續的超過相變點80℃的β區固溶對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效析出行為，造成不同區域α相析出驅動力不同。TC18合金鍛造后β相區空燒黑斑和本研究的現象具有相似之處，都存在鍛造后組織相同，但是β相區固溶后不同晶粒性質差別很大[10-11]。因此，對鍛造工藝的規范化、精確化和穩定化控制是消除白斑的根本方法。可以預測，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，但是在棒材不同區域變形均勻性和應力存在差別，影響了β相區固溶重結晶后不同β晶粒的性質，導致時效析出驅動力不同和α相的析出具有選擇性。

高強韌鈦合金的白斑是組織不均勻的一個表現，由于其尺寸較小，遠小于傳統意義的β斑，分布均勻，對瞬時力學性能影響不大。而且其屬于基體組織中的軟相，而高強韌鈦合金β區固溶時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，容易被誤認為有利因素，顯然這種認識是不正確的。白斑的存在是合金組織不均勻性的體現，雖然對瞬時性能影響不大，但局部位置的弱化必然影響長時使用性能，比如疲勞裂紋的萌生和擴展，從而影響合金的安全使用，需要通過工藝的優化予以消除。

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，優化組織。但是仔細分析圖1b所謂的正常均勻組織，仍然可以發現大量晶粒內部存在“白點”組織。后續通過對TB18合金白斑批次棒材鍛造工藝優化，最終也消除了白斑，但和圖1b相似的“白點”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)，從形態上極易被誤認為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，可以認為，對于TB18合金，無論是采取什么工藝，從根本上無法完全消除“白斑”，只會讓其尺寸減小到一定程度。在長期的工程實踐中發現，不止TB18合金，這種無析出的“白點”β相廣泛存在于TB6、TB8、TB9和Ti-55531等亞穩高強韌β鈦合金中，而且隨著β穩定系數的提高，這種“白點”現象越顯著。可以認為對于高強亞穩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”組織，由于點狀無析出區β相尺寸極小(0.5~2μm)，分布彌散，對拉伸、沖擊等瞬時力學性能影響不大，在組織分析中極易被忽略，但是對于疲勞等長時循環加載樣品，由于無析出區β相在組織中屬于弱項，必然對裂紋的萌生和擴展產生影響，從而影響合金力學性能的穩定性，在相關分析中應予以重視。

5、結論

1)超高強韌TB18鈦合金β區固溶+時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，在光學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，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。單從消除白斑角度考慮，可以通過增加固溶度、預時效、延長時效時間等手段去除，但是不可避免地引起其它力學性能的惡化，最有效的處理方法是調整和優化鍛造工藝。

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

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（注，原文標題：TB18超高強韌鈦合金顯微組織中白斑研究_辛社偉）