Ti9148钛合金β-相晶粒长大行为 | [PDF全文] |
Ti9148钛合金是宝鸡钛业股份有限公司自主研发的一种新型生物医用亚稳β-型钛合金,其成分为Ti-19Nb-1.5Mo-4Zr-7.9Sn。与传统α+β型钛合金T-6Al-4V相比,Ti9148合金不含过敏或有毒元素,具有弹性模量低、生物相容性好等优点,有望应用于生物医学领域[1-5]。
众所周知,晶粒尺寸对材料的强度和塑性、变形机制以及第二相析出等有较大的影响[6-12]。Ti9148合金在较低温度时效时,亚稳相(如六方α′、正交α′′)可通过扩散型相变转变为过渡相六方ω相,进而转变为α相,这些亚稳相对合金强韧性有显著影响,相析出使合金韧性急剧下降[1]。因此,该合金的锻造、轧制加热及中间退火等操作均避免在此温度区间进行,一般选在β-相区进行。然而,β-相区加工温度较高,晶粒易于长大,因此,为了获得较理想的组织与性能水平的合金,有必要研究退火温度和时间对合金晶粒长大的影响规律,合理控制晶粒尺寸,进而为实际生产提供参考依据。
1 实验方法实验材料为宝鸡钛业股份有限公司采用3次真空自耗电弧熔炼的Ti9148合金铸锭,经锻造、热轧等工艺制得5 mm厚板材,金相法测得合金β-相转变温度为720 ℃。用线切割方法在板材上截取若干5 mm × 10 mm × 15 mm块状试样,置于箱式电阻炉进行固溶淬火实验,固溶处理温度选择750、800、850、900 ℃,保温时间选择10、30、60、120 min,出炉后进行水淬处理。热处理试样经预磨、抛光及侵蚀后制成金相试样,侵蚀剂配比为V(HF)∶V(HNO3)∶ V(H2O)=1∶3∶7, 采用ZEISS AxioVert200MAT金相显微镜进行显微组织观察,并通过截线法测得平均晶粒尺寸D。
2 结果及讨论 2.1 显微组织演变图 1所示为Ti9148合金在β-相区不同固溶温度和保温时间下的显微组织照片,可以看出,经过β-相区固溶处理后的合金组织均为细小均匀的等轴组织。在相同保温时间下,固溶温度在750~900 ℃范围内逐渐升高,合金晶粒尺寸急剧增大,如在加热10 min的试样中(图 1中的A1、B1、C1、D1),750 ℃固溶处理后的β-相晶粒尺寸为28 μm,而800、850、900 ℃固溶处理后,β-相晶粒尺寸分别增加到39、59、78 μm。在等温加热过程中,随着时间延长,晶粒尺寸也呈增大趋势,如在900 ℃固溶处理不同时间后(图 1中的D1、D2、D3、D4),β-相晶粒尺寸由78 μm增加到168 μm。
统计不同加热制度下的晶粒尺寸,绘制出了晶粒长大趋势图。Ti9148合金β-相晶粒尺寸随温度的变化曲线如图 2所示,在相同的保温时间下,随着固溶温度升高,β-相晶粒尺寸不断增大,并且温度越高,β-相晶粒尺寸增长速度越快。β-相晶粒长大是一种集热激活、扩散与界面反应于一体的物理冶金过程,主要表现为晶界的迁移,随着温度升高,原子的平均动能增加,有助于原子扩散和晶界迁移,晶界的平均迁移速率m与e-Qm/(RT)成正比,其中,m为晶界的平均迁移速率,Qm为晶界迁移的激活能或原子扩散通过晶界的激活能,R为气体常数,T为热力学温度[13-16]。由此可见,晶粒尺寸的长大速率与加热温度之间呈现一种指数关系,与图 2中的曲线相吻合。在4种固溶温度下,Ti9148合金β-相晶粒尺寸随时间的变化曲线,即晶粒等温长大曲线如图 3所示,在加热初始阶段,β-相晶粒长大速度较快,超过30 min后,晶粒尺寸增长速度变得平缓。分析其原因,β-相晶粒长大的驱动力源自界面能的降低,界面能驱动晶界不断迁移或消失,随着保温时间的延长,晶粒不断长大,晶界向着曲率中心方向移动,并不断平直化,致使“大吞并小”和凹面变平,晶界面积不断减小,最终,总的界面能下降,晶粒长大驱动力减小,晶粒增长速度变缓[13]。
2.2 晶粒长大动力学分析
钛合金晶粒等温长大过程中,晶粒尺寸与加热时间的关系近似成幂函数关系,可用Beck方程进行描述[17-18]:
(1) |
式(1)中:D为平均晶粒尺寸,μm;t为等温退火时间,min;n为晶粒长大指数;k为与成分和温度有关的长大系数。对式(1)两边取对数,可得:
(2) |
将不同固溶温度下实测的Ti9148合金晶粒尺寸数据代入式(2)中进行线性拟合,即可得到图 4所示的lnD与lnt的线性关系图,以及不同温度下的晶粒长大指数n,见表 1。
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据文献[17]报道,纯钛在β-相区的晶粒长大指数n=0.5[17],而表 1中计算出的Ti9148钛合金在750~900 ℃的晶粒长大指数n为0.213~0.300。这主要是由于Ti9148钛合金含有较多的Nb、Mo、Zr、Sn等合金元素,因为晶界的内吸附现象,这些溶质原子容易富集在晶界周围,当晶界迁移时,这些溶质原子只能以扩散速度较慢的体扩散进行跟随,造成对晶界的“钉扎”作用,阻碍晶界移动[13, 19-21]。
同样,在一定保温时间下,加热温度对晶粒长大的影响可以采用Arrhenius方程[13, 18, 22]进行描述:
(3) |
式(3)中:k0为与成分有关的长大系数; Q为β-相晶粒晶界迁移的长大激活能; R为气体常数,8.314 J/mol;T为绝对温度,K。将式(3)两边取对数可得式(4):
(4) |
由式(4)可以看出,lnk与1/T之间具有线性关系。因此将表 1中相关数据带入式(4)进行线性拟合,得到如图 5所示的lnk与1/T之间的关系曲线,根据拟合结果可估算出Ti9148合金晶粒在β-相相区的长大激活能Q=32.57 kJ/mol,小于纯钛的β-相自扩散激活能Q=166 kJ/mol[23-24],表明Ti9148合金在β-相区加热具有较高的温度敏感性,在实际加工生产过程中,应严格控制热处理温度和保温时间。
3 结论
1)在相同的保温时间下,随着固溶温度升高,β-相晶粒尺寸不断增大,并且温度越高,增速越快。在等温加热过程中,β-相晶粒尺寸先快速长大,超过30 min后,增速变缓。
2)在750、800、850、900 ℃等温加热过程中,β-相晶粒尺寸与加热时间近似成幂函数关系,根据Beck方程拟合出了4种温度下的晶粒长大指数分别为0.213、0.266、0.285、0.300。
3)Ti9148钛合金在β-相区的晶粒长大激活能较低,表明在β-相区加热对温度较敏感。
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