旋鍛對Mo-Ti-Zr合金性能及顯微組織的影響

羅明，范景蓮，成會朝，田家敏，盧明園

(中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，湖南 長沙，410083)

鉬合金具有優(yōu)良的導電、導熱以及耐腐蝕性能，而且具有較低的熱膨脹系數(shù)、較高的硬度和很高的高溫強度，因而應用廣泛[1]。鉬合金的常用制備方法有電弧熔化-鑄造法和粉末冶金法。相對于電弧熔化-鑄造法，粉末冶金法可以節(jié)省真空自耗電弧爐、大型擠壓機和鍛錘以及相應的高溫加熱爐等大型設備，簡化工序，降低消耗，提高生產能力及成品率。但粉末冶金法制備的鉬合金由于具有一定的孔隙，使其強度和韌性大大降低[2]。無論采用何種方法制備Mo-Ti-Zr合金棒材，最后都要進行熱擠壓或鍛造，以改善塑性和加工性能[3]。通常是采用熱擠壓和鍛造相結合的方法，只采用熱擠壓變形是不夠的，還必須進行充分的鍛造變形使組織得到進一步均勻化[4]。由于Mo-Ti-Zr合金棒材熱變形加工比較困難，燒結后的合金首先應進行熱擠壓開坯，然后鍛造，而這樣的加工工藝對提高合金的力學性能有不利影響[5]。粉末熱鍛是將燒結的預成形坯加熱后在閉式模中鍛造成零件的一種新工藝，它將傳統(tǒng)的粉末冶金與精密模鍛很好地結合起來，兼具粉末冶金和精密模鍛兩方面的優(yōu)點：經(jīng)熱鍛制備的零件相對密度高，具有較均勻的細晶粒組織，物理和力學性能大大提高[6-7]；同時，它又保持普通粉末冶金少切削、無切削的工藝優(yōu)點，具有成形精確、材料利用率高等特點。因而，粉末鍛造已廣泛應用于各種鉬合金[8-11]的研究中。研究不經(jīng)過熱擠壓而直接熱鍛的Mo-Ti-Zr合金棒材，對獲得低成本、高性能的Mo-Ti-Zr合金棒材有著重要的實際意義。本文作者采用冷等靜壓、高溫燒結和直接高溫旋鍛的方法制備 Mo-Ti-Zr合金棒材，研究了旋鍛溫度，斷面收縮率對合金棒材性能與顯微組織的影響，探討Mo-Ti-Zr合金棒材高溫旋鍛致密化過程和機理以及對斷口形貌的影響規(guī)律。

1 實驗

實驗采用高純Mo粉末中添加0.55% Ti和0.1% Zr合金元素粉末，將粉末混合球磨5 h，然后采用冷等靜壓成形，壓力為200 MPa，保壓1 min，在氫氣氣氛于1 000 ℃預燒2 h，再在鎢棒爐中于1 920 ℃燒結2 h制備出直徑28 mm的Mo-Ti-Zr合金棒材，然后，將燒結合金棒材分別在1 250 ℃和1 380 ℃ 2種溫度下直接進行不同形變量的旋鍛，并將燒結和旋鍛后的合金棒材沿徑向用線切割切成標準“工”字型拉伸試樣，采用排水法測定燒結態(tài)和旋鍛試樣的密度，采用HRBVU-1875.8型布洛維光學硬度計測試洛氏硬度，在日產JSM-5600LV型掃描電鏡上觀察拉伸試樣斷口形貌特征。

2 結果與討論

2.1 旋鍛對Mo-Ti-Zr合金棒材斷口形貌的影響

圖1(a)和圖1(b)所示為燒結態(tài)Mo-Ti-Zr合金棒材拉伸樣斷口形貌特征。由圖 1(a)和 1(b)可見：合金中的Mo晶粒近似等軸狀，其晶粒度為20～30 μm，晶界光滑平整，斷口呈現(xiàn)典型的脆性沿晶斷裂特征，晶界上分布有規(guī)則的圓形孔隙，孔隙大小為2～5 μm，局部存在連通的長條狀孔隙?？紫犊赡苁歉邷責Y未消除的孔隙或拉伸斷裂過程中第二相復合氧化物粒子(Mo, Zr, Ti)xOy脫離Mo基體而產生的。前一種孔隙產生的原因可能是燒結過程中氫氣還原氧化的 Mo，Ti和Zr顆粒產生的水蒸汽殘留導致的；后一種孔隙是晶界存在的第二相復合氧化物粒子(Mo, Zr, Ti)xOy[12]與Mo晶粒的界面結合力弱，在拉伸斷裂過程中它與Mo晶粒變形協(xié)調性差脫離所形成。因此，常溫下由于有燒結殘留孔隙和氧化物第二相粒子(Mo, Zr, Ti)xOy2種裂紋源，加上界面易于偏聚氧、碳等雜質元素，Mo-Ti-Zr合金棒材易于產生沿晶脆性斷裂，界面結合強度低。圖1(c)和圖1(d)所示是溫度為1 250 ℃、斷面收縮率為 33%的 Mo-Ti-Zr合金棒材拉伸樣斷口形貌特征。從圖 1(c)可以看出：斷口呈穿晶和沿晶混合型斷裂，大部分直徑為20～30 μm的晶粒發(fā)生沿晶斷裂，少數(shù)大晶粒發(fā)生穿晶解理斷裂。從圖1(d)可以看出：斷口平面與拉伸軸基本垂直，斷面較平整，呈沿晶脆斷特征，孔隙數(shù)目顯著減少，孔徑減為1～2 μm，三角晶界孔隙和長條狀孔隙消失，表明于1 250 ℃、斷面收縮率為33%的形變時，晶粒在旋鍛壓力作用下發(fā)生一定的塑性變形而填充孔隙，從而使晶粒接觸增加，并且在晶粒接觸面之間原子發(fā)生擴散作用，形成物理冶金結合，孔洞縮小和消失，從而導致鉬晶粒之間的結合強度增加。這一推論與EI-Rakayby等[13]的觀點一致。圖1(e)和圖1(f)所示為于1 380 ℃、斷面收縮率為16%和28%的 Mo-Ti-Zr合金棒材斷口形貌特征?？梢姡寒敂嗝媸湛s率為16%時，由于晶粒塑性變形不太明顯，Mo晶?；颈３值容S狀，其尺寸與燒結態(tài)晶粒相差不大，所不同的是晶界上孔隙數(shù)量和尺寸減小，晶界表面漸顯凹凸不平，但拉伸斷口呈現(xiàn)沿晶脆性斷裂特征，此時，界面結合強度低；當斷面收縮率為28%時，Mo晶粒發(fā)生明顯塑性變形，此時，Mo晶粒由等軸狀變成長軸不規(guī)則狀，界面發(fā)生明顯凹凸不平，并且可以看到撕裂痕跡，Mo晶粒斷面出現(xiàn)明顯滑移流動痕跡，說明此時Mo晶粒發(fā)生相對滑移而且晶粒界面強度增加。這是由于形變量增大，晶界孔隙數(shù)目減小與閉合，晶粒之間產生更多的界面結合以及高溫作用下的物理冶金結合增強，在斷裂過程中沿晶界發(fā)生一定的塑性變形，相鄰兩晶粒逐步脫離。圖 1(g)所示為于 1 380 ℃、斷面收縮率為 36%的Mo-Ti-Zr合金棒材斷口形貌?？梢钥闯觯篗o晶粒發(fā)生明顯合并與長大，此時晶界變得模糊不清，晶界上微孔隙增多，界面結合強度低，易產生裂紋，如圖1(g)中箭頭所示，這證明在1 380 ℃旋鍛變形時，由于旋鍛溫度提高而使變形量增加，但同時由于鍛造溫度太高而易于使Mo晶粒在大變形應力和溫度的綜合作用

下發(fā)生晶粒合并與長大。

圖1 不同變形條件下Mo-Ti-Zr合金棒材斷口的SEM形貌Fig.1 SEM morphologies of fracture section of Mo-Ti-Zr alloy rods under different deformation conditions

2.2 旋鍛對Mo-Ti-Zr合金棒材致密化的影響

由于粉末冶金燒結態(tài) Mo-Ti-Zr合金棒材存在殘留的孔隙，旋鍛變形過程主要是塑性變形過程，可以看成是晶粒與晶粒之間相對運動的結果。燒結態(tài)合金棒在鍛造過程中產生塑性變形而達到致密化，此時金屬基體同時產生塑性變形和致密化。這與致密金屬的鍛造有所不同，致密金屬塑性變形的微觀機構主要是依靠金屬晶體的位錯運動和晶粒之間的相對運動。而多孔粉末冶金燒結體的塑性變形和致密化機構，不僅與金屬基體產生的晶間和晶內變形有關，而且與孔隙的變形有很大關系。

圖2所示為Mo-Ti-Zr合金棒材在1 250 ℃鍛造時旋鍛過程中合金棒材相對密度與斷面收縮率變化的關系。由圖2可見：隨著變形程度的增加，Mo-Ti-Zr合金棒材的相對密度逐步提高。當斷面收縮率為 10.7%時，相對密度提高到97.3%；當斷面收縮率為33%時，相對密度提高到98.5%。

圖2 1 250 ℃旋鍛時Mo-Ti-Zr合金棒材相對密度和斷面收縮率的關系Fig.2 Relationship between relative density and reduction of cross section of Mo-Ti-Zr alloy rods at 1 250 ℃

圖3 所示為Mo-Ti-Zr合金棒材在1 250 ℃鍛造時旋鍛過程中致密化速率與斷面收縮率的關系。致密速率Δρ/Δε表示單位應變下相對密度的增量，其中：Δρ為相對密度的變化，Δε表示斷面收縮率的增量，它主要反映了變形過程中相對密度變化的快慢?？梢姡寒敂嗝媸湛s率為 19.2%時，致密速率達到最?。划敂嗝媸湛s率小于 19.2%時，致密速率隨斷面收縮率增加逐漸減小，此時主要是孔隙的運動；而當斷面收縮率超過 19.2%時，致密速率增大，發(fā)生塑性變形并進一步消除孔隙。這表明在旋鍛的各個階段，Mo-Ti-Zr合金棒材的致密化機理不同。在旋鍛初期，其致密速率較高，隨著變形與致密化的進行，產生加工硬化現(xiàn)象而影響了粉末材料的致密化。粉末材料的加工硬化包括Mo-Ti-Zr合金棒材的致密化引起幾何硬化和位錯密度增加產生的應變硬化。在后續(xù)旋鍛過程中，每旋鍛 1次，鍛件回爐在1 250 ℃保溫15 min，由于Mo合金層錯能較大，位錯容易產生束集，在高溫作用下有足夠的時間發(fā)生滑移和攀移，從而產生回復軟化作用。因此，隨著斷面收縮率增大，長時間高溫產生的軟化作用增強，應變硬化效應減弱，致密速率也相應提高。此后，由于粉末材料的密度越來越高，使得粉末材料以變形為主。即在變形初期，主要以致密化為主，在后期，以變形為主；在二者之間，變形與致密化是同時進行的。

圖3 1 250 ℃旋鍛時Mo-Ti-Zr合金棒材致密化速率和斷面收縮率的關系Fig.3 Relationship between densification rate and reduction of cross section of Mo-Ti-Zr alloy rods at 1 250 ℃

2.3 旋鍛對Mo-Ti-Zr合金棒材硬度的影響

圖4 所示為旋鍛Mo-Ti-Zr合金棒材斷面收縮率對硬度的影響。由圖4可以看出：隨著形變的增加，旋鍛鉬棒的硬度也相應提高。對于燒結態(tài)Mo-Ti-Zr合金棒材，其硬度(HRB)為72；當旋鍛使斷面收縮率小于6%時，主要發(fā)生孔隙的變形、壓縮而使密度增加和硬度提高，此時硬度(HRB)達到 87.8；當斷面收縮率增加到11%時，致密速率減小，同時，硬度增長較慢；當斷面收縮率為 11%～19%時，變形與致密化同時進行，Mo-Ti-Zr合金棒材的致密化引起幾何硬化和位錯密度增加而產生應變硬化，此時硬度增加明顯；當斷面收縮率達到 19%時，硬度(HRB)達到 92.8；斷面收縮率繼續(xù)增加時，鉬晶粒變形進一步增大，但高溫產生的熱軟化效應增強，此時硬度保持平穩(wěn)。

圖4 1 250 ℃旋鍛時Mo-Ti-Zr合金棒材硬度和斷面收縮率的關系Fig.4 Relationship between hardness and reduction of cross section of Mo-Ti-Zr alloy rods at 1 250 ℃

2.4 分析與討論

孔隙易于造成應力集中而成為裂紋源，而孔隙對拉應力非常敏感，從而使多孔預成形坯在拉應力狀態(tài)下具有低塑性的特點。由公式σ=σ0exp(-bθ)(其中：σ為強度；σ0為致密金屬強度；b為比例系數(shù)；θ為孔隙度)可知：孔隙度減小導致強度和塑性顯著提高。Mo-Ti-Zr合金棒材在旋鍛過程中同時經(jīng)歷了晶粒間塑性變形與孔隙閉合。當溫度升高時，晶界強度降低，塑性變形則先從晶界產生。對于粉末冶金多孔體來說，晶界特性比較復雜，在其內部存在2種晶界，即原始顆粒內晶界和顆粒間晶界。這2種晶界都含有較多的缺陷，尤其原始顆粒間晶界往往存在大量的缺陷和夾雜物，使得晶界強度降低，容易產生滑移和塑性流動。隨著形變的增加，孔隙發(fā)生剪切變形和壓縮閉合，從而通過高溫鏇鍛可以顯著消除孔隙而提高相對密度，而硬度表示合金局部抵抗塑性變形的能力，與相對密度、位錯密度都有關系，相對密度的提高導致硬度顯著提高。

但采用高溫鏇鍛工藝卻達不到全致密，這與燒結體內孔隙有關。由于粉末燒結體中的孔隙是以可消除孔隙和不可消除孔隙2種方式存在的(如圖5所示)[15]，在高溫下，晶界的強度減小，晶粒之間通過蠕變和相對滑移產生運動，使得晶界之間的孔隙在熱鍛應力的作用下發(fā)生剪切變形和閉合而消除，但晶粒內部的孔隙由于晶粒難以變形而得以保留。旋鍛過程中孔隙變化有3種可能[14]：(1) 孔隙經(jīng)變形后閉合，并通過高溫狀態(tài)下的再結晶過程和原子擴散過程而焊合；(2) 孔隙只發(fā)生變形，既沒有形成冶金結合，也沒有形成帶尖端的裂紋；(3) 孔隙演變成裂紋?？梢姡涸谛戇^程中，如果孔隙變化按第1種情況發(fā)生，合金棒坯的力學性能就會提高。由于合金中存在第2相氧化物粒子(Mo, Zr, Ti)xOy，可以產生彌散強化，但在旋鍛過程中當直徑較大的Mo晶粒和小的(Mo, Zr, Ti)xOy晶粒接觸在一起時，(Mo, Zr, Ti)xOy晶粒優(yōu)先變形。此時大晶粒與小晶粒由于接觸表面應變不同，兩者相對位移的大小與方向上也不同，這就可能導致由直徑不同的晶粒所形成的接觸界面弱化，最終產生斷裂。

圖5 2種孔隙的存在方式示意圖Fig.5 Sketch map of two existence mode of pores

高溫對孔隙閉合有顯著的影響。一方面，提高加工溫度會降低Mo合金的變形抗力，而且加工溫度升高，原子擴散能力增強，有利于閉合之后的孔洞表面形成物理冶金結合；另一方面，在加工過程中，當顆粒發(fā)生遷移時，顆粒表面的氧化膜會由于顆粒之間移動而產生摩擦，以及顆粒表面發(fā)生磨損而破壞，此時，由于氧化膜破碎，清潔表面的面積會增大，從而有利于顆粒之間形成良好的結合。當旋鍛溫度過高時，可能加劇孔洞周圍顆粒表面的氧化程度，使孔洞相互連接而長大。根據(jù)受力分析，在旋鍛過程中孔隙處于三向壓應力狀態(tài)[16]。在壓應力作用下，孔隙表面逐漸靠攏，直到距離小于原子間力的作用半徑，結果產生微小的單個結合區(qū)段(結合橋)，結合橋開始擴展，又產生新橋而使結合面不斷增加，形成良好的物理冶金結合，三向壓應力還能抵消或降低由于不均勻變形產生的附加拉應力，三向壓應力能將Mo晶粒在塑性變形時受到破壞的部分晶內和晶間結合回復。因此，隨著三向壓應力增加，各種微裂紋被焊合，金屬結構致密。在粉末冶金 Mo-Ti-Zr合金棒材中不可避免存在孔隙和第2相氧化物粒子(Mo, Zr, Ti)xOy夾雜，在三向壓縮的主變形狀態(tài)下，面缺陷變成線缺陷，有利于孔隙的消除。因此，旋鍛對合金相對密度的提高更加明顯。

3 結論

(1) 隨著變形程度的增加，Mo-Ti-Zr合金棒材的相對密度和硬度逐步提高。在1 250 ℃旋鍛，當斷面收縮率為33%時，相對密度提高到98.5%，硬度(HRB)為92.8。當斷面收縮率為19.2%時，致密化速率最低。Mo-Ti-Zr合金棒材在旋鍛的各個階段致密化機理是不同的。

(2) 燒結態(tài)Mo-Ti-Zr合金棒材斷口呈現(xiàn)典型的沿晶脆性斷裂特征，界面結合強度低。Mo-Ti-Zr合金棒材在1 250 ℃旋鍛，當斷面收縮率達到33%時，斷口呈穿晶和沿晶混合型斷裂，鉬晶粒之間的結合強度增加。在1 380 ℃旋鍛時，由于鍛造溫度太高而易于使Mo晶粒在大變形應力和溫度的綜合作用下發(fā)生晶粒合并與長大。

(3) 孔隙消除機理主要是高溫使閉合之后的孔洞表面形成物理冶金結合，以及三向壓應力使各種微裂紋被焊合。

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