Харбинский политехнический университет, Харбин, Китай

Ботао Цзян, независимый эксперт
Сюй Лю, независимый эксперт
Баосянь Су, докт. техн. наук, профессор (ассистент)
Яньцин Су, докт. техн. наук, профессор (ассистент), эл. почта: suyq@hit.edu.cn

Сплавы титана пользуются большим спросом в сфере материаловедения и инженерии ввиду их повышенных механических свойств, высокой коррозионной стойкости и биосовместимости. Термическая обработка титановых сплавов необходима для достижения максимального уровня механических и других свойств за счет определенного влияния на фазовые превращения. Однако определение оптимального вида термической обработки для конкретного сплава является непростой задачей, требующей больших временных затрат и экспериментов. Общепринятый подход основан на диагностике материала после его обработки с целью установления конечной микроструктуры и свойств, что является трудоемким процессом. Рассмотрена оптимизация термической обработки метастабильного β-титанового сплава, полученного методом вакуумно-дугового переплава. При помощи метода in-situ-наблюдения фазовых превращений в сплаве при высоких температурах, выполненного на лазерном сканирующем конфокальном микроскопе, определили оптимальную температуру его термообработки для достижения максимальной прочности материала, которая составила 800 ^оC. Выдвинутая гипотеза подтверждена в ходе исследований с применением сканирующей электронной и просвечивающей электронной микроскопии, а также в процессе испытания сплавов на растяжение. Результаты эксперимента показали, что первичная α-фаза выделялась вдоль нескольких ориентаций в процессе обработки в твердый раствор, а наноразмерная вторичная α-фаза, выделявшаяся в процессе обработки методом старения, распределена равномерно. Результаты испытаний на прочность показали, что после обработки твердого β-раствора при температуре 800 ^оC, по сравнению с другими температурами, сплав имеет наибольший предел прочности, что подтверждает надежность использования методики in-situ наблюдения. Практическая значимость данного исследования заключается в возможности применения его результатов для оптимизации термической обработки β-титановых сплавов.

Перевод на русский язык выполнил ассистент ВШ ЛМК, магистрант 2-го курса гр. ЛМК(м)-31 О. А. Пышненко.

1. Huang L. J., An Q., Geng L., Wang S., Jiang S., Cui X. P., Zhang R., Sun F. B., Jiao Y., Chen X., Wang C. Y. Multiscale architecture and superior high-temperature performance of discontinuously reinforced titanium matrix composites. Adv. Mater. 2021. No. 6. pp. 27.
2. Huang L. J., Geng L., Peng H. X. Microstructurally inhomogeneous composites: Is a homogeneous reinforcement distribution optimal. Prog. Mater. Sci. 2015. pp. 93–168.
3. Zhang L., Wu B. L., Zhao Y. H., Du X. H. Exploration of Al-based matrix composites reinforced by hierarchically spherical agents. Int. J. Miner. Metall. Mater. 2013. No. 8. pp. 796–801.
4. Zhang C. J., Jiang X., Lu Z. D., Feng H., Zhang S. Z., Xu Y., Hayat M. D., Cao P. Effect of duplex aging on microstructure and mechanical properties of near-beta titanium alloy processed by isothermal multidirectional forging. Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2022. No.4. pp. 1159–1168.
5. Yu W., Zhou J. X., Yin Y. J., Tu Z. X., Feng X., Nan H., Lin J. P., Ding X. F. Effects of heat treatments on microstructures of TiAl alloys. Int. J. Miner. Metall. Mater. 2022. No. 6. pp. 1225–1230.
6. Jiang Y. Q., Lin Y. C., Zhang X. Y., Chen C., Wang Q. W., Pang G. D. Isothermal tensile deformation behaviors and fracture mechanism of Ti – 5 Al – 5 Mo –5 V – 1 Cr – 1 Fe alloy in beta phase field. Vacuum. 2018. pp. 187–197.
7. Lan L., Xin R. Y., Jin X. Y., Gao S., He B. Influence of multiple laser shock peening treatments on the microstructure and mechanical properties of Ti – 6 Al – 4 V alloy fabricated by electron beam melting. Int. J. Miner. Metall. Mater. 2022. No. 9. pp. 1780–1787.
8. Xu S. H., Liu Y., Liu B., Wang X., Chen Z. X. Microstructural evolution and mechanical properties of Ti – 5 Al – 5 Mo – 5 V – 3 Cr alloy by heat treatment with continuous temperature gradient. Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2018. No. 2. pp. 273–281.
9. Yang X. W., Dong X. R., Li W. Y., Feng W. Y., Xu Y. X. Effect of solution and aging treatments on corrosion performance of laser solid formed Ti – 6 Al – 4V alloy in a 3.5 wt. % NaCl solution. J. Mater. Res. Technol. 2020. No. 2. pp. 1559–1568.
10. Wan X. L., Wu K. M., Huang G., Wei R., Cheng L. In situ observation of austenite grain growth behavior in the simulated coarse-grained heat-affected zone of Ti-microalloyed steels. Int. J. Miner. Metall. Mater. 2014. No. 9. pp. 878–885.
11. Chen D. Y., Liu Y., Wang R. Q., Ye J. W. Sliding wear behaviour of Fe/316L/430-Ti(C,N) composites prepared via spark plasma sintering and subsequent heat treatment. Int. J. Miner. Metall. Mater. 2021. No. 7. pp. 1215–1223.
12. Jiang B. T., Wang L., Yan H., Zhu G. Q., Teng J. L., Wang B. B., Luo L. S., Chen R. R., Su Y. Q., Guo J. J. Hydrogen-induced modification of the interface between matrix and ceramic phase of (TiB + TiC)/Ti – 6 Al – 4 V. Compos. Commun. 2023. Vol. 37. 101434.
13. Yadav P., Saxena K. K. Effect of heat-treatment on microstructure and mechanical properties of Ti alloys: An overview. Proceedings of the 10^th International Conference of Materials Processing and Characterization (ICMPC), GLA Univ, Mathura, INDIA. 2020. pp. 2546–2557.
14. Bermingham M. J., Kent D., Pace B., Cairney J. M., Dargusch M. S. High strength heat-treatable beta-titanium alloy for additive manufacturing. Mater. Sci. Eng. A-Struct. Mater. Prop. Microstruct. Process. 2020. pp. 7.
15. Cai C., Wu X., Liu W., Zhu W., Chen H., Qiu J. C. D., Sun C. N., Liu J., Wei Q. S., Shi Y. S. Selective laser melting of near-alpha titanium alloy Ti – 6 Al – 2 Zr – 1 Mo – 1V: Parameter optimization, heat treatment and mechanical performance. J. Mater. Sci. Technol. 2020. Vol. 57. pp. 51–64.
16. Zhu Y. Y., Chen B., Tang H. B., Cheng X., Wang H. M., Li J. Influence of heat treatments on microstructure and mechanical properties of laser additive manufacturing Ti – 5 Al – 2 Sn – 2 Zr – 4 Mo – 4 Cr titanium alloy. Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2018. No. 1. pp. 36–46.
17. Yumak N., Aslantas K. A review on heat treatment efficiency in metastable beta titanium alloys: the role of treatment process and parameters. J. Mater. Res. Technol. 2020. No. 6. pp. 15360–15380.
18. Wu C., Zhan M. Microstructural evolution, mechanical properties and fracture toughness of near beta titanium alloy during different solution plus aging heat treatments. J. Alloy. Compd. 2019. Vol. 805. pp. 1144–1160.

19. Zhao Z. B., Wang Q. J., Liu J. R., Yang R. Effect of heat treatment on the crystallographic orientation evolution in a near-alpha titanium alloy Ti60. Acta Mater. 2017. Vol. 131. pp. 305–314.
20. Shekhar S., Sarkar R., Kar S. K., Bhattacharjee A. Effect of solution treatment and aging on microstructure and tensile properties of high strength beta titanium alloy Ti – 5 Al – 5 V – 5 Mo – 3 Cr. Mater. Des. 2015. Vol. 66. pp. 596–610.
21. Zong Y. Y., Huang S. H., Guo B., Shan D. B. In situ study of phase transformations in Ti-6Al-4V-xH alloys. Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2015. No. 9. pp. 2901–2911.
22. Li Z. P., Luo L. S., Su Y. Q., Wang B. B., Wang L., Liu T., Yao M. J., Liu C., Guo J. J., Fu H. Z. In-situ study on gamma phase transformation behaviour of gamma-TiAl alloys at different cooling rates. Prog. Nat. Sci. 2022. No. 3. pp. 345–357.
23. Li Y., Fang H., Chen R., Sun S., Xue X., Guo J. Optimization of (α + β) microstructure and trade-off between strength and toughness: Based on Mo[eq] and d electron theory in β-Ti alloy. Mater. Des. 2023. Vol. 231, Iss. 4-5. 112022.
24. Gorniewicz D., Przygucki H., Kopec M., Karczewski K., Jozwiak S. TiCoCrFeMn (BCC+C14) high-entropy alloy multiphase structure analysis based on the theory of molecular orbitals. Materials. 2021. No. 18. pp. 16.
25. Sadeghi M., Niroumand B. Design and characterization of a novel MgAl-ZnCuMn low melting point light weight high entropy alloy (LMLW-HEA). Intermetallics. 2022. Vol. 151.107658.
26. Wu Q. F., Jia Y. H., Wang Z. J., He F., Wei Y. F., Li J. J., Wang J. C. Rapid alloy design from superior eutectic high-entropy alloys. Scr. Mater. 2022. Vol. 219.114875.
27. Du ZX., Xiao S. L., Xu L. J., Tian J., Kong F. T., Chen Y. Y. Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of a new β high strength titanium alloy. Mater. Des. 2014. Vol. 55. pp. 183–190.
28. Ivasishin O. M., Markovsky P. E., Semiatin S. L., Ward C. H. Aging response of coarse- and fine-grained beta titanium alloys. Mater. Sci. Eng. A-Struct. Mater. Prop. Microstruct. Process. 2005. No. 1-2. pp. 296–305.
29. Lu Z. D., Zhang C. J., Feng H., Zhang S. Z., Han J. C., Jia Y., Du Z. X., Chen Y. Y. Effect of heat treatment on microstructure and tensile properties of 2 vol.% TiCp/near-beta Ti composite processed by isothermal multidirectional forging. Mater. Sci. Eng. A-Struct. Mater. Prop. Microstruct. Process. 2019. pp. 7.
30. Gupta A., Khatirkar R., Singh J. A review of microstructure and texture evolution during plastic deformation and heat treatment of beta-Ti alloys. J. Alloy. Compd. 2022. Vol. 899.163242.