1、媒介

钛合金拥有比沉幼、焊接机能好、无磁性、耐蚀机能好蹬着点,宽泛利用于船舶海洋工程、生物医疗等领域;同时又因其拥有较好的热不变性和热强性,在航空发起机的造作中也阐扬着沉要作用,重要用于出产压气机盘、电扇、叶片、机匣和衔接环等关键零部件,可能代替钢或高温合金,有效减轻发起机的沉量,提高发起机的推沉比[1-6]。

当前,随着对航空发起机使用环境及机能要求的不休提升,对钛合金的使用温度提出了更高的要求,因而 钻研钛合金在更高温度下的力学行为变得尤为沉要[7-9]。国内目前600℃及以上高温钛合金的重要代表是Ti60和Ti600,近几年中国科学院金属钻研所以及西北有色金属钻研院以上述2种合金为基础,进一步研发了Ti65和Ti650合金。

Ti650合金是一种使用温度在650℃的高温钛合金[10]。与其他高温钛合金相比，Ti650合金在成分设计上更注沉对高温强度的要求，因而增长了更多的Ta，Nb，W等β不变元素，显著提高了合金高温抗拉强度和室温加工机能。同时，还增长了更多的Si和C元素使该合金维持优异的蠕变和悠久机能[11-13]。

关于Ti65和Ti650合金，现有的钻研多集中于锻件和板材。吴汐玥等[14]对Ti65合金板材在热处置状态下的显微组织和拉伸机能进行了深刻钻研。钻研发现:选取分歧热处置工艺，该钛合金板材中能够形成等轴、双态或片层组织，从而产生分歧类型织构，进而影响板材拉伸机能;其中，经过980℃热处置后的板材，在横向和纵向上的拉伸强度差距最幼。樊智贤等  [15]钻研了分歧状态的Ti65合金板材的各向异性。钻研发现，Ti65合金板材在原始状态下，沿着轧造方向(rolling direction，RD)强度最高，在45°方向上的强度则相对较低;此表，在高温变形过程中，板材展示出了强烈的回复和再结晶景象;Ti65合金板材的断裂机造在室温前提下重要阐发为以韧窝为主的韧性断裂，在790℃时断裂则是由分散的微孔洞相互衔接所引发的。周伟等[11]钻研了Ti650合金的氧化行为，指出Ti650合金在700℃以下拥有优良的抗氧化机能，其重要氧化产品为颗粒状的TiO2，且随着氧化温度的升高和氧化功夫的耽搁，这些TiO2颗粒的尺寸逐步增大。侯红苗等[16]钻研了分歧热处置工艺对Ti650合金板材的影响，了局批注，Ti650合金板材对固溶温度的变动较为敏感随固溶温度升高，板材强度增大，塑性降低;其时效温度提高，板材塑性大幅升高，强度则略有降落。在时效温度为700℃、时效功夫为2.5~6h的前提下，时效功夫对板材组织与机能的影响较幼。此表，固溶冷却速度会影响次生α相的形核、析出与长大;降低冷却速度，板材的室温强度降低，塑性提高。

通过以上钻研能够发现，当前Ti65、Ti650合金的钻研多集中在板材，对于其棒材发展的钻研极度有限。钛合金显微组织与机能之间拥有缜密联系，通过调控热加工参数能够优化合金的力学机能，因而钻研轧造温度对Ti650合金显微组织拉伸、蠕变机能的影响拥有沉要的意思  [17,18]。鉴于此，本文钻研了经过分歧温度轧造及退火后Ti650合金棒材拉伸机能、高温蠕变机能的变动及其影响成分，探索资料显微组织、织构与机能之间的联系，为该合金的热处置加工窗口提供参考。

2、尝试

2.1尝试原料

尝试选取真空自耗电弧炉经3次熔炼得到新型高温Ti650合金铸锭，铸锭元素组成为Ti-Al-Mo-Sn-Ta-Zr-W-Nb-Si-C。经铸造、精锻成Φ45mm棒坯，通过金相法确定该合金的α+β/β相转变温度为(1040±5)℃，图1为Φ45mm棒坯显微组织，能够看出，Φ45mm棒坯各部位组织差距不大，均匀性优良。

2.2尝试步骤

以相变点为凭据，轧造温度别离造订为970，1000和1020℃，将Ti650合金棒坯统一轧造成Φ12mm棒材。由于退火为棒材经过轧造后出厂前的必要工序，同时为了进一措施整合金的组织和不变性，对合金再次进行凹凸温双沉退火，热处置造度如下:960℃/2h/AC+1020℃/2h/AC+680℃/2.5h/AC(退火+双沉退火)。别离对分歧温度轧造样品进行轧造态和热处置后的25(室温)，600和650℃室温、高温拉伸以及600和650℃高温蠕变尝试。室温拉伸尝试试样规格为12mm70mm，凭据尺度GB/T228.1-2021《金属资料拉伸尝试第1部门:室温试验步骤》在Instron5859试验机上进行;高温拉伸尝试试样规格为Φ12 mm70 mm，凭据尺度GB/T228.22015《金属资料拉伸试验第2部门:高温试验步骤》在ETM105D试验机上进行;高温蠕变尝试试样规格为Φ12mmx121mm，凭据GB/T2039-2012《金属资料单轴拉伸蠕变试验步骤》，在RD100试验机上进行，蠕变前提为600℃/100 MPa/100h和650℃/100 MPa/100h。

选取Scope A1型金相显微镜观察Ti650合金分歧热处置后的初生α相、片层组织描摹。为钻研晶粒的取向变动，对轧造态和退火热处置后样品使用JEM-6700型扫描电子显微镜观察并进行EBSD分析。

3、了局与会商

3.1轧造温度对 Ti650合金棒材拉伸及蠕变机能的影响

表1 Ti650合金棒材轧造及退火后拉伸机能与蠕变机能

Notes:Rm represents tensile strength, Rp0.2 represents yield strength, A represents breaking elongation; creep stress is 100 MPa, creep time is 100 h

Ti650合金经过分歧温度轧造后棒材R态室温下力学机能相差不大，因而思考对棒材进行热处置后测试其高温前提下的力学及蠕变机能(图1b~1d)。与R态相比，HT态试样室温强度及断面收缩率降落。将测试了局比力来看，室温下随着轧造温度的逐步升高，合金强杜纂塑性均变动不显著;高温拉伸后屈服强度和抗拉强杜纂室温下相比均有显著降落，但塑性显著提高。无论在600还是650℃进行蠕变尝试，1000℃轧造时合金的残存应变最幼，注明合金在此热处置造度下拥有最好的抗蠕变机能。

3.2轧造温度对Ti650合金棒材显微组织的影响

图3为Ti650棒材经过分歧温度轧造后R态的显微组织照片，从右上角插图中可观察到更高倍数下析出的次生α相。图中能够明显看到初生α相被拉长变形后产生的轧造流线，随着轧造温度的升高(970，1000和1020℃)，轧造后保留的初生α相含量逐步削减，通过Image-Pro Plus统计丈量得出，初生α相体积分数别离约为35.2%，20.4%和9.6%;并且被拉长变形的初生α相晶粒逐步球化，片档次生α相的厚度别离约为0.4，0.6和0.8μm，略有增长。

Ti650合金在从  β相向α相转变过程中，  β相转化为初生α相的同时自身也会析出次生α相，初生α相长大和次生片层α相析出之间存在着彼此竞争的关系。本尝试中，随着轧造温度的升高，等轴初生α相逐步削减，片层α相析出增多，对合金产生强化作用;但初生α相的晶粒和β晶粒发成长大，又使得强化作用减弱，最终导致合金R态强度增大、塑性不变。

图4为Ti650合金棒材经过热处置后的显微组织照片
Ｄ芄豢吹讲宦叫某跎料嘣诰Ы绱，随着轧造温度的升高(970，1000和1020℃)，初生α相含量降低，经过丈量发现，与轧造态相比，热处置态初生α相尺寸别离增大至8.6，13.7和17.2μm;由β相转变的板条状次生α相分列逐步从无序变为集束，逐步有序，并且厚度从0.8增长为1.2直至1.5μm。

初生α相的含量对 Ti650合金棒材的抗拉强度和屈服强杜装响较大。对比图3和图4，近a型的Ti650合金轧造态初生α相藐幼弥散，均匀散布在基体中;经过退火不变动处置后的初生α相产生了奥斯瓦尔德“熟化”[19]，正本较大的初生α相持续长大，较幼的α相归并成为较大的α相，次生α相的片层逐步长大，初生α相与次生α相的长大导致热处置后合金强度和塑性的降落。

Ti650合金棒材热处置后的高温拉伸强杜纂室温拉伸强度相比大幅降低，原因是高温拉伸时合金内部的能量升高，原子的震荡领域增大，导致进行塑性变形的晶格会位于新的平衡地位。高温拉伸起头时，合金的重要变形方式是弹性变形，以及存在少量塑性变形的混合变形，这一变形方式导致其与室温拉伸了局有所分歧[20]。也有钻研以为[21]:在高温拉伸时，组织内的动态回复与动态再结晶相对于室温拉伸更容易产生，同时有助于位错活动，降低了滑移系的临界分切应力[18]，推进了位错攀移与界面滑移等，因而整体位错数量的削减导致组织中位错累积水平降低，从而使合金软化成效增长，形调换容易产生，以至合金强度降低。

对比热处置后样品的高温力学机能，能够发现Ti650合金在高温下的强度随轧造温度的升高逐步增长。这是由于随着轧造温度升高，初生α相含量削减，次生片层α相厚度逐步增长，并且逐步变得有序。由于片层α相厚度增长，位错穿过所必要的能量会更多，同时由于有序导致的方向性的加强也增长了位错滑移的距离，以至位错塞积的长度和水平加剧，因而合金的强度略微提升[22]。

钻研发现，当轧造温杜咨970升高到1000℃时，伴随初生α相和片层α相尺寸的增长，合金的蠕变残存应变减幼，抗蠕变机能逐步加强。这是由于晶界在高温下阐发出粘滞性，在作用于晶界面的切应力分量的作用下晶粒之间沿晶界产生滑动，从而造成资料的变形。因而多晶体的变形由晶粒自身的变形和晶界滑动两部门组成。晶粒越细，晶界的面积就越大，晶界滑动对总变形量的贡献也就越大。所以对于高温蠕变来说，晶粒藐幼的资料蠕变残存应变大;另表，晶粒越细，扩散蠕变的贡献也就越大，蠕变残存应变也会随之增长。影响合金蠕变机能的还有次生α相的作用。次生α相的片层界面上存在大量晶界和位错，界面位错在界面上的内应力以及表力的作用下向基体中发射位错，在界面左近形成位错环[23]。合金在蠕变时，由于热激活和表应力的共同作用，从界面上发射出来的位错环很容易挣脱片层界面的钉扎，参加蠕变变形。因而片层越细，越能为资料的蠕变变形提供位错源，即扩散通路，使得资料的蠕变残存应变增长，合金蠕变机能变差。

当轧造温度持续升高到1020℃时，初生α相与片层α相持续粗化，然而蠕变残存应变反而增大，导致资料抗蠕变机能降落。通常以为，抗蠕变机能同时受晶粒尺寸与片层α相宽杜装响，但其变动趋向并非是随组织粗化而一向阐发出抗蠕变机能变得更好的偏差。Balasundar等[24]的钻研进一步指出，蠕变应变随片层α相厚度和晶粒尺寸的增长呈先减幼后增大的趋向，并在片层厚杜纂晶粒尺寸达到某一临界值时获得最幼值。值妥贴心的是，本文所测得的蠕变残存应变随组织演变阐发出的非单调变动趋向，与上述文件中蠕变应变的法规一致。这批注，无论是宏观总蠕变变形，还是残存永远变形，均受统一微观机造竞争关系的节造。该行为源于蠕变过程中两种机造的相互造约:变形强化(即位错塞积引起的应变硬化)有利于提升抗蠕变能力;而界面处产生的位错湮灭与动态回复过程则促使资料软化。二者之间的动态平衡最终决定了资料的抗蠕变机能。在钛合金中，片层α相与  β基体之间遵循Burgers取向关系，其界面为半共格界面;而初生α相与相邻β相之间不存在特定取向关系，形成非共格界面。这两类界面共同作用:它们既是位错活动的阻碍，也可作为位错湮灭的场所。强化与湮灭两种相反机造之间的平衡，使得 Ti650合金棒材的蠕变行为随组织演变出现非单调变动。具体而言，随着轧造温度升高，初生α相晶粒与片层α相厚度增长，蠕变残存应变出现先降低后升高的趋向，导致合金抗蠕变机能先加强后降落。

3.3轧造温度对Ti650合金棒材织构的影响

图5为Ti650合金棒材分歧温度轧造后RD方向的晶体取向散布图
Ｄ芄豢吹剿孀旁造温度的升高，Ti650合金棒材的α相取向逐步由重要阐发为丝织构的<0001>和<0110>方向向晶粒取向均匀演变，而后又逐步左袒<1210>方向。图6为棒材分歧轧造温度后的反极图，棒材轧态组织中存在的织构类型重要为轴向与α相<0001>方向平行的丝织构;随着轧造温度的升高，970℃下轧造棒材存在RD//<0001>以及RD//<0221>方向幽微织构;1000℃轧造后棒材最大织构密杜纂970℃时一样，依然呈此刻RD//<0001>方向，RD//<0221>方向织构隐没;经过1020℃轧造后，棒材RD//<0001>方向织构密度降低，新的织构呈此刻法向(normal direction，ND)//<0221>方向。这与图5分析了局类似。

图7为分歧温度轧造Ti650合金棒材热处置后RD方向的晶体取向散布图。图7a中轧造温度为970℃时重要阐发为轴向与α相平行的<  1 ˉ 2 ˉ 1 ˉ0>方向的织构;随着轧造温度的升高，1000℃时晶体取向险些全数阐发为RD//<0110>方向的丝织构(图7b);1020℃时α相的取向重要集中在<1210>以及<0110>方向(图7c)。

图8为分歧温度轧造Ti650合金棒材热处置后的反极图，能够看到与图6相比样品织构密度稍有增高。轧造温度为970℃时(图8a)出现RD//<2243>与<1123>方向强织构，在横向(transverse direction，TD)//<0111>方向也存在丝织构;轧造温度为1000℃时(图8b)最大织构密度略高于其他，最强织构呈此刻RD//<3302>方向，其他方向的织构隐没;轧造温度为1020℃时(图8c)在RD//<3302>方向织构密度降低，最强织构呈此刻TD//<1210>方向，并且在TD//<1011>、ND//<4849>、ND//<0221>等方向均出现新织构。

Ti650合金棒材组织随着轧造温度的升高，初生α相尺寸减幼，含量也削减，初生α相含量的降低使变体选择较弱，容易天生多种取向的次生α相集束，从而阐发为新织构的出现[25，26]。多晶资料的宏观力学机能与资料晶粒的晶体取向散布有着亲昵的关系，出格是对于密排六方结构的a-Ti合金，织构对机能的影响有沉要作用。当棒材中存在<0001>丝织构时，必要启动六方晶体的准            滑移系，所需的临界剪切应力较大，从而导致合金的强度较高;当棒材存在<1010>丝织构时，晶体的柱面滑移系开动，必要的临界剪切应力较幼，合金的强度较低，但塑性较好[27]。与R态相比，热处置后Ti650合金棒材RD//<0001>方向的织构隐没，导致强度降落;并且只管热处置后出现RD//<1010>方向的织构，但由于最大织构密度仅为3.02，因而以为本尝试中织构对于轧造Ti650合金棒材机能影响不大，影响合金强度及塑性的重要原由于初生α相的含量与尺寸以及次生片层的厚度。        

4、结论

(1)随轧造温度的升高(970，1000和1020℃)，Ti650合金棒材强度逐步增长，塑性根基不变。

(2)Ti650合金棒材的高温蠕变机能与轧造温度分歧导致的初生α相尺寸及次生α相片层厚杜仔关，随着初生α相尺寸增大与次生α相厚度增长，残存蠕变应变阐发出先降低后升高的趋向，在1000℃轧造时抗蠕变机能最佳。

(3)Ti650合金棒材的拉伸机能受其显微组织与织构的共同影响。然而，在本钻研涉及的工艺前提下，其机能差距重要归因于初生α相的含量与尺寸以及次生片层厚度的变动，织构的贡献相对有限。

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（注，原文标题：轧造温度对Ti650高温钛合金棒材组织机能的影响）