激光快速成形TC17钛合金热处理工艺研究2013-12-18

中图分类号：TG146.2+3

论文编号：10006SY1101104

硕 士 学 位 论 文

激光快速成形TC17钛合金

热处理工艺研究

作者姓名 陈博

学科专业 材料加工工程

指导教师 王华明 教授

培养院系 材料科学与工程学院

Research on heat treatment process of

laser rapid formed Ti-17 titanium alloy

A Dissertation Submitted for the Degree of Master

Candidate：Chen Bo

Supervisor：Prof. Wang Huaming

School of Materials Science & Engineering

Beihang University, Beijing, China

中图分类号：TG146.2+3

论文编号：10006SY1101104

硕 士 学 位 论 文

激光快速成形TC17钛合金

热处理工艺研究

作者姓名 陈博 申请学位级别 工学硕士

指导教师姓名 王华明 职 称 教授

学科专业 材料加工工程 研究方向 激光材料制备与成形 学习时间自 2011年 9月 1日 起至 2014年 1月 30日止 论文提交日期 2013年 12月 20日 论文答辩日期 2013年 12月 17日 学位授予单位 北京航空航天大学 学位授予日期 年 月 日

关于学位论文的独创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得北京航空航天大学或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。

若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。

学位论文作者签名： 日期： 年 月 日

学位论文使用授权书

本人完全同意北京航空航天大学有权使用本学位论文（包括但不限于其印刷版和电子版），使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门（机构）送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。

保密学位论文在解密后的使用授权同上。

学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 指导教师签名： 日期： 年 月 日

摘 要

TC17钛合金的名义成分为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr，是一种富β稳定元素的两相钛合金，具有较高的强度、淬透性、疲劳性能、断裂韧性以及热稳定性，综合性能良好，常用作发动机风扇、压气机盘件等关键零件。然而由于钛合金变形抗力大、切削加工工艺性能差，采用传统锻造+机械加工方法制造大型复杂钛合金构件周期长、成本高、制造难度大。激光快速成形技术是一种以金属粉末为原材料，通过高能激光束对金属原材料的逐层熔化堆积，直接由零件CAD模型一步完成全致密、高性能、大型复杂金属零件的―近终成形‖制造技术，具有成本低、加工周期短和材料利用率高等优点，在航空航天等工业中具有广泛的应用前景。

激光快速成形TC17钛合金具有与锻件TC17钛合金不同的显微组织，锻件TC17常用的热处理制度不能直接适用于激光成形TC17钛合金，作为改善其组织性能的重要手段之一，其热处理工艺需要进行深入探索。本文利用激光快速成形技术制备成形TC17钛合金板状试验料，分析激光沉积态TC17的显微组织特征及其形成机理，重点研究预处理退火、固溶以及时效处理中温度及冷却速度对显微组织及力学性能的影响，并分析其断裂机理，结果表明：

（1）激光快速成形TC17钛合金具有独特的组织特征，本实验中将试样板顶部5mm厚的耐蚀性较差的若干沉积层定义为―非稳态区‖，其显微组织为细小针状的亚稳定组织，其余部分沉积层定义为―稳态区‖，显微组织为细小的网篮组织；将仅存在于―稳态区‖、由于熔池对已沉积层的循环热影响而形成的约500μm宽的条带特征定义为―热影响条带‖，将存在于―非稳态区‖及―稳态区‖中、由于熔池对固液界面处基体的强烈作用而形成的约50μm宽的条带特征定义为―层间条带‖，层间条带可反映熔池的形貌；在相邻熔池搭接（重叠）部位常形成柱状晶形貌，在熔池的中心部位常形成等轴晶形貌。

（2）激光快速成形TC17沉积态试样具有高强度低塑性的特性，拉伸断口在柱状晶区域表现为穿晶断裂而在等轴晶区域表现为沿晶断裂，沿晶断裂可能是由于晶界处连续的晶界α相导致。两相区预处理退火+固溶时效处理可显著调节激光快速成形TC17钛合金的显微组织。预处理温度升高、冷却速度增大可减小初生α相的长径比，固溶温度升高、固溶冷却速度增大可降低初生α相的体积分数，而升高时效温度可增大次生α相的片层厚度。增加初生α相长径比、次生α相体积分数可使材料强度上升而塑性下降、增大次生α相片层厚度可使塑性上升而强度降低。然而两相区预处理退火+固溶时效处

I

理无法消除粗大连续的晶界α相，断裂模式没有明显改变。

（3）通过单相区预处理使晶界α相与晶内α相在固溶阶段同时形核长大，从而避免形成连续的晶界α相且使其两侧初生α相与次生α相分布均匀，在一定程度上减小沿晶断裂倾向，将激光快速成形TC17钛合金的沿晶断裂转变为穿晶断裂。

关键词：激光快速成形；TC17钛合金；热处理工艺；显微组织特征；力学性能

II

Abstract

TC17 titanium alloy (Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr) was designed to meet the need of compressor disks of advanced aircraft engine, for its excellent strength, harden ability, fatigue resistance, fracture toughness and thermal stability. However, manufacturing titanium alloy by traditional processing methods, such as forging followed by machining, was costly and difficultly. An advanced manufacturing technology named of laser rapid forming technology could overcome those shortcomings. Laser rapid forming process is a solid freeform fabrication technology based on layer-by-layer materials melting and depositing to fabricate fully dense near-net-shape metallic components with fine microstructure, excellence of comprehensive mechanical properties and low cost of fabricating.

Laser rapid forming TC17 titanium alloy was differ from forging TC17 alloy, therefore tradition heat treatment of forging TC17 alloy was not suitable for laser forming TC17 alloy. Heat treatment for laser forming TC17 alloy, as one of the most important methods to improve the microstructure and mechanical behavior, deserve to be explored. In this project, TC17 titanium alloy were manufactured by laser rapid forming technology. Microstructure and mechanical behavior of as-deposited and heat-treated alloy were investigated. The influences of heat-treatment on microstructure and mechanical behavior, as well as fracture mechanism, were detailedly discussed. The result revealed that:

Laser rapid forming TC17 titanium alloy has unique microstructure characteristic for the special fabricating process, layer-like feature could be obtained in macrostructure, and several layers, defined as ―unstable zone‖ with about 5mm thick, was placed at top of the sample and other layers was defined as ―stable zone‖. A band feature named ―layer band‖ could be obtained through the whole sample while the ―heat-affected band‖ existed only in the stable zone below. The prior β grain morphologies in microstructure was heterogeneity, huge columnar grains grew in the overlap zone of adjacent melting pool, and small equiaxed grains were placed in the center zone of each melting pool. The microstructure in unstable zone was ultra fine acicular structure, and in stable zone was fine basket-weave microstructure.

After anneal treatment and solution and aging treatment, the aspect ratio of primary α in laser rapid forming TC17 titanium alloy reduced in pace with the anneal temperature and cooling rate increase. And the volume fraction of primary α decreased as solution temperature and solution cooling rate increased. Moreover, the thickness of secondary α was related to the aging temperature as higher aging temperature lead to thicker secondary α and more volume fraction of β matrix.

III

The laser rapid forming TC17 titanium as-deposited alloy exhibited excellent strength but lower ductility, and exhibited a mixture of intergranular and transgranular fracture due to the heterogeneity of β grain morphologies. And the fracture mechanism has not been changed after heat treatment. The mechanical property could be affected by the microstructure. Higher aspect ratio of primary α, higher volume fraction of secondary α and thinner secondary α could result in higher strength and lower ductility.

The continuous and thick grain boundary α phase and a precipitate free transformed zone beside could result in the intergranular fracture in laser rapid forming TC17 titanium alloy. By pretreated in β phase region, the grain boundary and inside α was transformed into β matrix, and precipitated synchronously and uniformly, weakening the difference in dimension between grain boundary α and primary α to a certain extent. In that way, the fracture mechanism of laser rapid forming TC17 titanium alloy could be transformed from intergranular/ transgranular fracture to typical transgranular fracture.

Keywords: laser rapid forming; Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr; heat treatment; microstructure;

mechanical property

IV

目 录

摘 要............................................................................................................................ I Abstract ........................................................................................................................ III

第一章 绪论.................................................................................................................. 1

1.1 研究背景及意义................................................................................................. 1

1.2钛与钛合金概述.................................................................................................. 2

1.2.1 钛及钛合金的基本性质 ................................................................................................ 2

1.2.2 钛合金分类及TC17钛合金......................................................................................... 4

1.2.3 钛合金显微组织及力学性能 ........................................................................................ 5

1.3 钛合金的固态相变及热处理............................................................................. 7

1.3.1 钛合金的固态相变 ........................................................................................................ 7

1.3.2 钛合金的热处理 .......................................................................................................... 10

1.4 钛合金成形制备方法....................................................................................... 12

1.4.1 精密铸造技术.............................................................................................................. 12

1.4.2 精密塑性成形技术 ...................................................................................................... 13

1.4.3 粉末冶金技术.............................................................................................................. 15

1.5 激光快速成形技术........................................................................................... 15

1.6 本课题研究目的及研究内容........................................................................... 21

第二章 实验方法及原理............................................................................................ 23

2.1材料制备............................................................................................................ 23

2.2热处理实验........................................................................................................ 24

2.2.1退火预处理................................................................................................................... 24

2.2.2固溶处理 ...................................................................................................................... 25

2.2.3时效处理 ...................................................................................................................... 26

2.2.4断裂模式探索............................................................................................................... 26

2.3显微组织分析.................................................................................................... 28

2.4力学性能分析.................................................................................................... 28

第三章 激光快速成形TC17钛合金沉积态组织性能特征 .................................... 29

3.1激光快速成形TC17钛合金沉积态宏观组织形貌 ........................................ 30

3.2激光快速成形TC17钛合金沉积态显微组织特征 ........................................ 34

3.3激光快速成形TC17钛合金沉积态力学性能特征 ........................................ 36

V

本章小结.................................................................................................................. 37

第四章 热处理对激光快速成形TC17钛合金显微组织以及力学性能的影响 .... 38

4.1预处理温度影响................................................................................................ 38

4.2预处理冷却方式影响........................................................................................ 41

4.3初生α相长径比对力学性能的影响 ............................................................... 42

4.4固溶温度影响.................................................................................................... 45

4.5固溶冷却方式影响............................................................................................ 47

4.6初生α相/次生α相体积分数对力学性能的影响 .......................................... 48

4.7时效温度影响.................................................................................................... 51

4.8次生α相片层厚度对力学性能的影响 ........................................................... 52

本章小结.................................................................................................................. 54

第五章 单相区预处理+固溶时效对激光快速成形TC17钛合金显微组织与力学行

为的影响...................................................................................................................... 55

5.1单相区/两相区预处理 ...................................................................................... 55

5.2固溶处理过程中的组织演变............................................................................ 56

5.3时效过程中的组织演变.................................................................................... 58

5.4单相区/两相区预处理对断裂行为的影响 ...................................................... 59

本章小结.................................................................................................................. 62

结 论.......................................................................................................................... 63

参考文献...................................................................................................................... 64

攻读硕士学位期间取得的学术成果.......................................................................... 70

致 谢.......................................................................................................................... 71

VI

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

钛合金具有密度低、比强度高、屈强比（屈服强度/抗拉强度）高、耐蚀性好、耐热性高及高温力学性能优异等突出特点，作为一种优良的结构材料而广泛应用于航空、航天、电子、化工、医疗等军用和民用领域[1]。钛合金的应用水平是衡量飞机选材先进程度的重要标志之一，随着对飞机性能要求的不断提高，钛合金在航空工业中的应用优势日趋明显，其用量占飞机总重量中的比例不断提高[2]。为了最大限度减轻结构件重量，同时保证较高的使用性能，飞机用钛合金关键零件通常采用形状复杂的整体带筋加强结构。在第三代战机研制过程中，我国普遍采用的是―锻造+数控机加‖的制造方法，然而由于钛合金变形抗力大、切削加工工艺性能差，采用这种方法制造大型钛合金构件周期长、成本高、制造难度大。因此，迫切需要发展新的更为先进的钛合金近净成形技术，以应对我国航空钛合金工业当前所面临的高用量、高性能、低成本的严峻挑战。

高性能金属结构件激光快速成形制造技术一种实体自由成形技术，利用快速原型制造（RPM）的基本原理，以金属粉末为原材料，通过高能激光束对金属原材料的逐层熔化堆积，直接由零件CAD模型一步完成全致密、高性能、大型复杂金属零件的―近终成形‖制造。激光快速成形技术将高性能结构材料设计、制备与―近终形‖复杂零件直接成形有机融为一体，与锻压-机械加工传统制造技术相比这项技术具有生产制造周期短、生产制造成本低、材料利用率高、无需模具、工艺简单等独特优点，尤其适合于先进装备大型复杂钛合金等高性能关键金属结构件的快速、低成本成形制造，对装备的快速研制、生产与改型具有十分重要的意义。美国Aeromet公司及国内北京航空航天大学已成功实现激光快速成形钛合金结构件在飞机上的应用[3,4]。

TC17(名义成分为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr)是一种富β稳定元素的两相钛合金，具有强度高、断裂韧度好、淬透性高、热稳定性好、疲劳强度高等优点，常用于设计大截面的锻件与发动机风扇、压气机盘件[5,6]。作为近β型两相钛合金，

1

TC17钛合金可通过热处理以改善组织提高性能[7,8]，锻造TC17形变热处理工艺已得到深入探索，研究表明[9]：其性能与在两相区或单相区内形变热处理息息相关，两相区的热加工过程包括一系列在α+β相区内锻造与加热的过程，即在锻造后进行双重固溶处理+时效处理，常采用840°C/1h,AC +800°C/4h,WQ +630°C/8h,AC；单相区热加工过程包括在两相区内预模锻、在β单相区内终锻后进行固溶时效，常采用的热处理制度为800°C/4h,WQ +630°C/8h, AC。对于激光快速成形TC17钛合金，由于成形过程中高温度梯度、高冷却速度以及往复加热效应，其沉积态显微组织为不均匀的非平衡凝固组织，不能达到最佳的力学性能，热处理是调整激光快速成形TC17钛合金显微组织与力学性能性能的重要手段之一，热处理参数对其组织与性能影响需要进一步探索研究，然而，目前对于激光快速成形TC17钛合金的显微组织及相关力学行为研究报道相对较少[10,11]，本文研究了激光快速成形TC17钛合金沉积态显微组织与力学性能，以及高温预处理、固溶温度、时间、时效温度对显微组织的影响，探究显微组织与力学性能之间的关系，为改善显微组织提高综合力学性能提供基础研究。

1.2钛与钛合金概述

1.2.1 钛及钛合金的基本性质

钛是继钢、铝、镁之后21世纪的新型金属，其原子序数为22，相对原子量为47.87，位于化学元素周期表的IVB族。纯钛的熔点为1668℃，钛在固态下具有α β同素异构转变，在882.5°C以下为具有密排六方(HCP)晶格结构的α钛，在882.5°C以上至熔点1678°C之间则为具有体心立方(BCC)晶格结构的β钛[12]。 -Ti和 -Ti的晶体结构如图1所示。

2

图1 钛的同素异构体： -Ti和 -Ti的晶体结构

以钛为基体加入各种金属或非金属合金元素，就构成钛的金属间化合物或非金属化合物等统称钛合金。钛合金中，随着加入的合金成分和比例的不同，钛合金的α/β相变点的变化十分敏感。根据合金元素对钛的α/β转变温度的影响，通常将其分为三类：提高α/β转变温度的称为α稳定元素；降低α/β转变温度的称为β稳定元素；对α/β转变温度影响很小的称为中性元素[13,14]。表 1显示了钛合金中合金元素的作用及其类型。

表 1 钛中常用合金元素的分类

3

α稳定元素能在α-Ti中大量溶解，从而使α相区扩大（如图 2-a），提高α/β转变温度，这类元素在周期表中的位置离钛比较远，包括Al、Ca、Ge、Ga、O、N、C等，其中应用得最多的是Al，Al元素含量的增加，不仅会提高β转变温度，还能使β稳定元素更易溶解于α相之中，对提高钛合金的高温强度与抗氧化性、降低比重、增加弹性模量有明显效果[15,16,17]。

β稳定元素能在β相中大量溶解的，从而扩大β相区（如图 2-b），降低α/β转变温度，可细分为 同晶型元素和 共析型元素。当V、Mo、Nb、Ta等 同晶元素或Mn、Fe、Cr、Co等慢共析元素含量达到某一临界值（即临界浓度Ck）时，较大的冷却速度能使合金中的 相保留至室温而不发生马氏体相变。各种 稳定元素的Ck值见表2，元素的Ck值越小，其稳定 相的能力越强。对于Si、Ag、Bi等快共析元素，由于在 钛中所形成的共析反应速度非常快， 相将分解成α相和比较脆的金属间化合物，很难保留到室温。

表2 钛合金中常用合金元素的临界浓度[18]

元素

Ck(wt%) Ta 45 Nb 36 V 15 Mo 11 Ni 8.5 Co 9.5 Mn 6.5 Cr 6.5 Fe 5.5 中性元素：中性元素对α/β转变温度的影响较小（如图 2-c），在α和β相中均有较大的溶解度。中性元素加入后主要对 相起固溶强化作用。钛合金中常用中性元素为Zr和Sn，可提高α相强度以及合金的高温拉升强度。

图 2 α稳定元素(a)、β稳定元素(b)以及中性元素(c)对相图的影响

1.2.2 钛合金分类及TC17钛合金

钛合金可按照相组成以及合金元素含量的关系分为 型（以TA表示）、 型（以TB表示）以及 + 型（以TC表示）合金。

4

TCl7钛合金（也称为Ti-17，通用电器公司于1968年研制成功）是富β稳定元素的(α+β)型钛合金（如图4），其名义成分为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr。TCl7合金具有强度高，韧性好、淬透性高、热稳定性好，疲劳强度高的特性，主要用于制造航空发动机的压气机盘、叶片等零件，也可用于制造飞机结构件。

图4 各种钛合金及其与 稳定元素之间的关系

1.2.3 钛合金显微组织及力学性能

钛合金显微组织中的相组成主要有以α-Ti为基的α固溶体和β-Ti为基的β固溶体两种。不同的合金化学成分以及热加工工艺会使钛合金表现出多种多样的显微组织，其中组织形态、α和β两相的数量、尺寸、分布等都是重要的组织特征参数，同时，不同的显微组织表现出的力学性能同样有所差异。钛合金按照其组织形态特征可大致分为四类：魏氏组织、网篮组织、等轴组织以及双态组织，各种典型组织的组织形貌以及力学性能列于图 3和表 2，详述[19]如下：

(1) 魏氏组织：魏氏组织是在β相区进行加工或退火得到的组织，具有粗大等轴的原始β晶粒和完整的晶界α，晶粒内部是尺寸较大、

取向一致的片层集束，

5

同一个集束内是并行排列的α、β片层，如图 3-a所示。魏氏组织的断裂韧度高、蠕变抗力和持久强度较高，但塑性较差。

(2) 网篮组织：通过在(α+β)/β相变点附近变形，或在β相区开始变形但在α+β相区终止变形(变形量为50~80%)可得到网篮组织，原始β晶粒以及晶界α相被不同程度地破碎，晶内α片层发生粗化，晶粒内部呈网篮片层结构，如图 3-b所示。相比于魏氏组织，网篮组织的塑性及疲劳性能较好但断裂韧性较低，综合性能优于魏氏组织。

(3) 等轴组织：钛合金在α+β相区热加工时，在变形过程中α相与β相会相继发生再结晶从而获得完全等轴的α+β相。其特点是初生α相等轴且均匀分布，体积分数超过50%，集体上存在一定的β转变组织，如图 3-c所示。等轴化程度的大小，受变形程度、加热温度和保温时间的影响，总的趋势是随着三者的增加，等轴化程度增加。

(4) 双态组织：两相钛合金在α+β相区上部进行热加工变形，或者在两相区变形后再加热到两相区上部温度冷却，可得到双态组织。其特点是在转变β组织的基础上，分布着一定数量的初生α相，但总含量不超过50%，如图 3-d所示。双态组织和等轴组织的力学性能类似，仅随所含初生α相数量不同而存在差异，这两种组织均具有较高的疲劳强度和塑性。

表 2 两相钛合金典型显微组织力学性能特征对比[20]

组织 室温 室温 冲击 断裂 疲劳 高温瞬时 高温瞬时 持久

类型 强度 塑性 韧性 韧性 极限 拉伸强度 拉伸塑性 强度

魏氏 最高 最低 最低 最高 最低

网篮 较高 较低

双态 较低 较高 中 中 较高 较低 中 中 中 中 较低

较高 最低 较高 较高 较高 最高 较高 较低 最低 蠕变 抗力 最高 较高 较低 最低 等轴 较低 最高 最高 最低 最高

6

图 3 两相钛合金的典型组织[21]

(a)魏氏组织；(b)网篮组织；(c)等轴组织；(d)双态组织

1.3 钛合金的固态相变及热处理

1.3.1 钛合金的固态相变

钛合金在热处理过程中常见的固态相变有：（1）固溶冷却过程中的相变（包括淬火），β→α ，β→α'，β→ω(althermal)，β→α，及一些快共析元素的共析反应和短程有序相的形成，比如Si、Cu元素的共析析出和Ti3Al短程有序相都可以再退火过程中形成。（2）时效过程中的相变，β→β+ω(isothermal)→β+α，β→β+β'→β+α，β→α，α'→β+α，α →β+α'→β+α，及一些慢共析元素的共析有序化转变，比如Ti3Al，Ti2Cr等有序相的形成[22]。根据冷却速度的不同，冷却过程中的主要相变主要有以下几种：

（1） 相变

是钛合金自β相区或接近α+β/β相变点快速冷却时形成的，由β相析出 相的过程来不及进行，但是β相的晶格结构仍会发生转变，这种原始β相的成分未发生变化而晶格结构发生改变的过饱和固溶体便是马氏体。

为马氏体相变中

7

的一种，为密排六方结构，呈片状，其内部没有孪晶，多出现于含合金元素较少的钛合金中。在随后的热处理过程中 相一般可直接分解为稳定的 相。

（2） 相变

是由β相以非扩散转变形成的过饱和非平衡斜方相，是马氏体相变中的一种。在β稳定元素较多的α+β钛合金中，由β相区或接近α+β/β变点高温淬火时，β相的晶格转变阻力较大，不能转变为密排六方晶格而是转变为斜方晶格，这种马氏体称为 ， 马氏体相呈针状，其内部可能存在孪晶，一般出现在含合金元素较多的钛合金中。而 相分解相对较为复杂，一般要经历 相的中间过渡阶段。

（3）ωalthermal相变

在含 稳定元素较高的钛合金中，可在一定条件下形成过渡相ω（如图 4所示），通常认为ω相可分为两类，即淬火ω相（ωalthermal相）以及等温ω相（ωisothermal）。

图 4 亚稳ω相的不同形貌[23,24]

当钛合金中的 稳定元素含量在临界浓度附近时，在高温相区淬火可得到ωalthermal相，普遍认为在淬火过程中由于发生了 →ω转变， 基体上一副{111}面向中间塌陷，而相邻的{111}面则保持不变，从而形成淬火ω相[25]。

由于在冷却过程之中存在着较多的不稳定相，这些相在随后的时效过程中会发生分解，而根据保留相的不同，时效过程中发生的主要相变有下面几种：

（1）ωisothermal相变

当钛合金中的 稳定元素的含量略超过临界浓度时，在高温淬火时得到亚稳 相而不形成ω相，这种亚稳 相在500°C以下等温处理（时效或回火）即转变为等温ω相，这一过程由热激活扩散机制控制，是一种扩散现象。等温ω相是时效过程的中间相，完整的转变过程为β→β+ωisothermal→α+β。

两种ω相的结构是相同的，然而具体的晶体结构尚存在争议[26,27,28]，

普遍认

8

为它是密排六方结构。

（2） 相变

相是一种浓度较低的亚稳相，常形成于溶质富化型亚稳定β钛合金中，与ωisothermal相类似， 也是时效过程中的中间相。其完整的转变过程为β→β+ →α+β。其中β→β+ 的相变为相分离反应。 相（图7）和ω相的出现一般对合金的性能产生不利的影响，所以钛合金在热处理过程中要避免这些相的出现，或者使这些相在热处理中间过程中出现，从而使最终的处理组织优化。

图 5 亚稳 相的形貌和分布[29]

（3）α相沉淀

在相分离和ω相变不能出现的高温时效过程中，α相可以由亚稳ω直接转变得到。完整转变过程为βm→β+β →β+β +α→β+α。

一般在β稳定元素含量较少和有大量Al的系统中，亚稳β相可直接析出片层状（魏氏体）α相，包括与母相保持Burgers位向关系的1α相以及没有Burgers位相关系的2α相。由于没有中间相过渡，这类相变产生的α相组织不均匀且较为粗大。

在含合金浓度较低的合金在高温（>500°C）时效时，亚稳相βm按βm→α+β方式进行分解，从 m中直接析出 相。合金浓度较高的合金在较低温度（300~400°C）进行时效时，亚稳 相按βm→β+ωisothermal→α+β方式进行分解，经过中间过渡等温ωisothermal相，并逐步转变为平衡组织 + 。对合金浓度更高或添加抑制ω形成元素的合金，当等温ω相不能出现时，合金按βm→β+β →β+β +α →β+α方式分解，先形成 相，然后再转变为平衡组织 + 。图8显示了添加

9

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