高Nb－TiAl合金的凝固組織與力學(xué)性能研究

孫紅亮，孫 才，黃澤文，朱德貴

(西南交通大學(xué)，材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031)

高Nb－TiAl合金的凝固組織與力學(xué)性能研究

孫紅亮，孫 才，黃澤文，朱德貴

(西南交通大學(xué)，材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031)

研究了Al含量變化對高Nb-TiAl合金的凝固組織與力學(xué)性能的影響.結(jié)果表明:隨著Al含量的增加，TiAl合金晶粒尺寸呈增加趨勢;當(dāng)Al含量為45.7%時(shí)，凝固過程中局部區(qū)域發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，使晶粒尺寸顯著增大;室溫及700℃高溫拉伸強(qiáng)度隨著Al含量的增加而呈增加的趨勢，但發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變致使室溫及700℃高溫拉伸強(qiáng)度下降約200MPa;Al含量對延伸率不敏感，持久性能隨Al含量的增加呈增加趨勢.為控制鑄錠凝固后的組織與力學(xué)性能，盡量避開包晶轉(zhuǎn)變區(qū)，合金中Al含量應(yīng)低于45.7%.

TiAl合金;包晶轉(zhuǎn)變;Al含量;顯微組織;力學(xué)性能

TiAl合金因其耐高溫、比強(qiáng)度高、良好的抗蠕變及抗氧化性能等突出優(yōu)勢，被認(rèn)為是具有良好發(fā)展?jié)摿Φ母邷亟Y(jié)構(gòu)材料［1-2］.研究和發(fā)展高鎢鈮(W+Nb〉5%，原子百分比，下同)低鋁(Al＜45%)的多元TiAl合金是目前國內(nèi)外TiAl合金發(fā)展一個(gè)重要方向.鎢和鈮是難熔重金屬元素，由于擴(kuò)散緩慢，在TiAl合金的a2和g層片組織中充分固溶，能有效強(qiáng)化這些組織，從而保證組織的高溫強(qiáng)度和持久穩(wěn)定能力.這種極高的強(qiáng)度和高溫穩(wěn)定性使這類TiAl合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和其它陸地和海洋用燃?xì)廨啓C(jī)中有很好的應(yīng)用前景［3-7］.

TiAl合金的性能與它的晶粒結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，因此，控制凝固組織最終晶粒尺寸和形貌，以及鑄造產(chǎn)品質(zhì)量方面是至關(guān)重要.但是TiAl合金中添加不同的合金元素后，容易發(fā)生包晶反應(yīng)，導(dǎo)致合金的組織和性能變差.因此對于含有鎢的高鈮多元TiAl合金如何控制Al含量避免包晶反應(yīng)，以制備晶粒細(xì)小、均勻、無有害偏聚相的含鎢鈮TiAl合金是一個(gè)需要深入研究的問題.本文開展了不同Al含量的五元TiAl合金(Ti-Al-Nb-W-B)的凝固組織和力學(xué)性能的研究.

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)所用材料由英國伯明翰大學(xué)提供，經(jīng)二次真空電弧重熔，然后利用冷壁坩堝磁懸浮熔煉爐在保護(hù)性氣氛中制成Φ20mm的鑄錠.隨后進(jìn)行熱等靜壓處理，(熱等靜壓制度:氬氣保護(hù)，1260℃，150Mpa，4h)，其名義成分如表1所示.

表1 合金的名義成分

采用圓柱狀拉伸和持久試樣，測試部分尺寸為Φ3.99mm×23mm.室溫和高溫拉伸實(shí)驗(yàn)在WDW3100微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，應(yīng)變速率為0.7×10-4/s，高溫拉伸溫度為700℃.得到應(yīng)力應(yīng)變曲線，從應(yīng)力應(yīng)變曲線上求出最大抗拉強(qiáng)度(UTS)，斷裂時(shí)的塑性延伸率(El%).在RDW5050型電子式蠕變持久試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行溫度為700℃的持久實(shí)驗(yàn).其中持久應(yīng)力分別取三個(gè)樣品在700℃時(shí)抗拉強(qiáng)度的85%.微觀組織的觀察在FEI公司的Quanta200 ESEM環(huán)境掃描電子顯微鏡上用背散射電子成像進(jìn)行，加速電壓為20kV.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 顯微組織觀察

圖1為3種不同Al含量TiAl合金的背散射SEM圖像.其微觀形貌為典型的近片層(near lamellar)組織，由大量黑白相間的α2和γ片層組成的層片團(tuán)晶粒，在片團(tuán)晶界處分布著白色塊狀的(B2+ω)相和呈黑色的等軸γ相，此外分布在晶界上的白色帶狀以及在晶內(nèi)呈白色點(diǎn)狀分布的是硼化物.利用定量金相分析軟件對顯微組織進(jìn)行分析，多次計(jì)算并取平均值，結(jié)果如表2所示.可以看出隨著Al含量增加，晶粒的尺寸有增加趨勢，當(dāng)鋁含量達(dá)到45.7%，晶粒尺寸突然增大到133.46μm，增大了113%以上.板條厚度和(B2+ ω)相的數(shù)量變化不是很大，基本保持穩(wěn)定.同時(shí)在Al含量達(dá)到45.7%時(shí)，在其顯微組織中出現(xiàn)了很多特別粗大的(α2+γ)片層晶粒(如圖1(c)中箭頭1所示)，在該晶粒中，α2與γ板條之間取向一致，晶界非常曲折.

圖1 不同Al含量TiAl基合金的背散射電子圖像

表2 不同合金中晶粒尺寸、板條厚度及(B2+ω)相數(shù)量

2.2 力學(xué)性能

室溫拉伸及高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.可以看出，在鋁含量小于44.4%(如圖2中1#、2#所示)時(shí)，合金的室溫抗拉強(qiáng)度約700MPa左右，700℃高溫抗拉強(qiáng)度略低達(dá)到約670 MPa左右，塑性延伸率都在1%以下.合金Al含量變化對室溫、700℃高溫拉伸強(qiáng)度及塑性延伸率影響不大.但是當(dāng)合金Al含量達(dá)到45.7%(如圖2中3#所示)后，合金的無論室溫還是700℃高溫抗拉強(qiáng)度都有大幅度的下降，下降了約200MPa，而塑性延伸率略有上升.

圖2 不同Al含量TiAl基合金室溫及高溫拉伸性能

2.3 持久性能

對不同Al含量的合金進(jìn)行持久性能測試，結(jié)果如圖3所示.隨著Al含量的增加，合金的持久壽命呈增加趨勢.合金中隨Al含量的增加，晶粒呈增加趨勢，特別是Al含量達(dá)到45.7%后，晶粒尺寸明顯粗大，晶界作為一種缺陷組態(tài)存在顯微組織中，對高溫力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響，晶界滑動(dòng)及晶界原子擴(kuò)散而產(chǎn)生空洞，空洞長大并連接形成裂紋，近而導(dǎo)致斷裂.晶粒尺寸增加，持久壽命增加.

圖3 不同Al含量對TiAl基合金的持久壽命的影響

3 討論

關(guān)于二元TiAl合金液-固相變規(guī)律的研究，國內(nèi)外的工作已經(jīng)進(jìn)行得比較成熟，通過對二元Ti-Al典型合金的平衡凝固分析，已經(jīng)建立起了完整的Ti-Al二元合金相圖，揭示了有關(guān)的關(guān)鍵成分點(diǎn)［8-10］.根據(jù)二元Ti-Al合金中間部分的相圖(如圖4所示)分析可知，Al含量在(44.8～49.4)at.%之間的二元Ti-Al合金的液-固相變的基本理論來看，TiAl合金在凝固時(shí)存在著兩種不同的初次晶析出路徑:L→β和L→α，隨著Al含量的進(jìn)一步增加，同時(shí)還存在著兩個(gè)連續(xù)的包晶轉(zhuǎn)變:L+β→αp和L+α→γp.在二元Ti-Al合金的平衡相圖中，這些關(guān)鍵成分點(diǎn)均已明確測定出來.不同的Al含量的TiAl合金隨著溫度的降低，將會(huì)遵循不同的結(jié)晶路徑.從TiAl合金相圖來分析，要確保TiAl合金的液-固相變時(shí)形成細(xì)晶凝固，就要確保初次晶析出沿著L→β路徑發(fā)展，防止其因富Al而進(jìn)入L+β→αp的包晶轉(zhuǎn)變成分區(qū).要保證充分獲得初次結(jié)晶相是β相的基本原理是:β晶粒與隨后固態(tài)相變形成的α晶粒存在著{0001}α//{110}β，＜112-0〉α//＜111〉β的位向關(guān)系，固態(tài)α晶?？梢栽诠虘B(tài)β相的6個(gè)可能的{110}晶面上(忽略180°的差別)都形核生長［11，12］，從而形成較細(xì)小的α晶粒，并在伴隨其后的α→α2+γ共析相變作用下，獲得較細(xì)化的α2+γ層片晶團(tuán).為什么一定要在結(jié)晶時(shí)候避免出現(xiàn)L+β→αp包晶晶粒生成呢?因?yàn)榘ЬЯＶ苯訌囊合嘀猩?，尺寸往往很粗大，其?nèi)部由于包含初始形核的β相，β相固/液界面向液相推進(jìn)，且使界面前沿的液相中Al含量升高，發(fā)生包晶L+β→α轉(zhuǎn)變形成α相，隨著α相的不斷增加，β相及液相在不斷的減少，由此造成的偏聚變得嚴(yán)重，α相則通過共析轉(zhuǎn)變形成α2+γ層片狀結(jié)構(gòu).Ding X.F.等研究者在對高鈮TiAl合金凝固組織的研究中發(fā)現(xiàn)存在包晶轉(zhuǎn)變，如圖5所示為凝固過程中Ti-45Al-8Nb包晶轉(zhuǎn)變形成的典型顯微組織［13］.若在L+β→α轉(zhuǎn)變過程中有未轉(zhuǎn)變完的β相，將被包圍在α內(nèi)，將在后續(xù)固態(tài)相變過程中沿β→α→α2+γ轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑢咏M織，但其位向?qū)⒉煌诎鼑钠瑢咏M織，近似成120°角，如圖1(c)中箭頭2所示.由此粗大包晶αp晶粒通過固態(tài)相變生成一個(gè)α2+γ層片晶團(tuán)，如圖1(c)所示.

圖4 Ti-Al合金中間部分二元相圖

如圖2所示，當(dāng)合金Al含量達(dá)到45.7%(如圖2中3#所示)后，合金無論室溫還是700℃高溫抗拉強(qiáng)度都有大幅度的下降.這就是因?yàn)楹辖餉l含量達(dá)到45.7%后，導(dǎo)致了合金中發(fā)生大量的包晶反應(yīng)，形成大量的如圖1(c)的尺寸很大的α2+γ層片晶團(tuán)，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能有大幅度的下降.

圖5 Ti-45Al-8Nb凝固過程中發(fā)生L+β→α包晶轉(zhuǎn)變組織的背散射電子圖像［13］

在TiAl合金中加入W-Nb-B形成Ti-Al -Nb-W-B合金體系后，二元TiAl合金相圖中所有這些關(guān)鍵成分點(diǎn)均會(huì)發(fā)生變化.尤其對于含有高鎢鈮的多元TiAl合金相比單純含高鈮的多元TiAl合金更難實(shí)現(xiàn)均衡的細(xì)晶凝固.TiAl合金的細(xì)晶凝固的質(zhì)量控制因所加入的難熔合金的數(shù)量和種類的不同而差異很大.鎢是高熔點(diǎn)重金屬元素，又是強(qiáng)的β相穩(wěn)定元素［14-16］.添加鎢比添加其他合金元素(如鈮、鉻、錳等)更容易引起合金在凝固時(shí)的成分偏聚，枝晶偏聚，更多地在局部范圍改變了TiAl合金的固有凝固規(guī)律:如初次晶析出L→β和L→α的臨界成分點(diǎn)，發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變L+β→αp和L+α→γp的臨界成分點(diǎn)等.因此對于一個(gè)五元合金體系，建立這樣的相圖是一件很復(fù)雜的工作，對于具有特定工業(yè)價(jià)值的某些多元合金，除了借鑒相對應(yīng)的三元合金相圖之外，更有意義的工作是確定其與相圖有關(guān)的一些關(guān)鍵成分-溫度-相變點(diǎn)，用來指導(dǎo)其相應(yīng)的在科學(xué)和技術(shù)層面上的發(fā)展.

本文目的是探索該五元TiAl合金的初次晶L→β和L→α析出和包晶轉(zhuǎn)變:L+β→αp和L+α→γp的關(guān)鍵成分點(diǎn)，以達(dá)到確保初次結(jié)晶相是β相，同時(shí)又避免L+β→αp包晶反應(yīng)的目的.對于合金元素是Ti-?Al-5Nb-0.9W-1B的合金來說，合金中Al含量低于44.4%時(shí)，雖然含有重合金元素鎢和鈮，但是沒有發(fā)現(xiàn)大量的包晶反應(yīng)和包晶組織，同時(shí)隨著Al含量的增加，合金的性能有一定的增強(qiáng).但是當(dāng)Al含量大于45.7%時(shí)，凝固過程發(fā)生大量的包晶轉(zhuǎn)變，得到晶團(tuán)尺寸粗大，對應(yīng)的力學(xué)能顯著惡化.其它合金元素不變前提下，為控制鑄錠凝固過程與力學(xué)性能，合金中Al含量應(yīng)低于45.7%.

4 結(jié)論

1.五元TiAl合金(Ti-?Al-5Nb-0.9W-1B)，當(dāng)Al含量低于44.4%時(shí)，隨著Al含量的增加，晶粒尺寸呈增加的趨勢，室溫及高溫拉伸強(qiáng)度稍有增加，塑性對Al含量變化不敏感.當(dāng)Al含量為45.7%時(shí)，合金凝固過程中部分區(qū)域發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，得到的晶粒十分粗大，使其室溫及700℃高溫抗拉強(qiáng)度下降約200Mpa，但其對應(yīng)的持久壽命呈增加趨勢.

2.針對特定成分的五元TiAl合金(Ti-?Al -5Nb-0.9W-1B)，為控制鑄錠凝固后的微觀組織與力學(xué)性能，盡量避開包晶轉(zhuǎn)變區(qū)，合金中Al含量應(yīng)低于45.7%.

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Study on solidification microstructure and mechanical properties of high Nb containing TiAl alloy

SUN Hong-liang，SUN Cai，HUANG Ze-wen，ZHU De-gui
(Key laboratory of advanced technologies of materials，ministry of education Southwest JiaoTong University，Chengdu 610031)

The Effect of different aluminum content on solidification microstructure and mechanical properties of high Nb containing TiAl alloy was investigated.The results indicate that the grain size gradually increase with increasing of aluminum content and the peritectic reaction occurrs in local regions of TiAl alloy during solidification process twhen he aluminum addition is 45.7%，which increase grain size greatly.The content of aluminum can increase the room temperature strength，high temperature(700℃)strength but the peritectic reaction can reduce 200 MPa.The Aluminum content has a little effect on the ductility.The creep rupture life has positive correlation relationship with the content of aluminum.To control solidification microstructure and mechanical properties，the peritectic reaction in pentatomic TiAl-based alloy should be avoided and the aluminum content should be under 45.7%.

TiAl alloy;peritectic reaction;aluminum content;microstructure;mechanical properties

TG113.12，TG113.25 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1005-0299(2012)01-0053-05

2011-04-22.

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(J0120602990821)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(A0920502050907-147)資助.

孫紅亮(1980-)男，博士研究生.

(編輯 張積賓)