Mo對(duì)Ti－Mo系合金顯微組織的影響及其強(qiáng)化效應(yīng)

盧金文，葛 鵬，趙永慶

（1東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽110819；2西北有色金屬研究院，西安710016）

鈦合金是繼鋼鐵材料和鋁合金材料之后又一重要的工程結(jié)構(gòu)材料，由于具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、高溫性能穩(wěn)定以及疲勞強(qiáng)度和抗裂紋擴(kuò)展能力好等綜合特性而被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、裝備制造以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1－3］。工程結(jié)構(gòu)材料要求具有優(yōu)良的力學(xué)性能，既要求材料具有較高的強(qiáng)度，又要求材料具有良好的韌性。提高材料的強(qiáng)度主要通過增大位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力來實(shí)現(xiàn)，在組織上表現(xiàn)為制造位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙。合金元素Mo是鈦合金中重要的β合金化元素之一，屬于β同晶型穩(wěn)定元素，在β型鈦合金中無限互溶，形成連續(xù)固溶體。目前大部分重要的結(jié)構(gòu)鈦合金都含有Mo元素，Mo元素在提高合金強(qiáng)度和穩(wěn)定性的同時(shí)可保持合金的塑性并具有優(yōu)異的耐腐蝕性能[4－6］。另外鈦合金的力學(xué)性能與其顯微組織密切相關(guān)，特別是原始β晶粒尺寸對(duì)鈦合金的力學(xué)性能有很大影響，而且晶粒尺寸也影響α晶團(tuán)尺寸、α片層厚度等參數(shù)，從而影響材料力學(xué)性能[7－9］。

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者都對(duì)Ti－Mo系二元合金的組織和性能進(jìn)行了研究。W.F.Ho等[10］和 N.T.C.Oliveira等[11，12］對(duì)鑄態(tài) Ti－Mo合金的組織性能研究發(fā)現(xiàn)合金的晶體結(jié)構(gòu)和組織形貌隨合金Mo含量的不同而發(fā)生變化；Chen等[13］和 Zhou等[14，15］對(duì)冷軋態(tài)與熱處理后的Ti－10Mo和Ti－20Mo合金的顯微組織及力學(xué)性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明Ti－Mo合金表現(xiàn)出優(yōu)異的抗腐蝕性能，其中Ti－10Mo合金由于具有良好的延展性和較低的屈服強(qiáng)度，相對(duì)于其他生物金屬材料更具廣闊的應(yīng)用前景；X.H.Min等[16］系統(tǒng)研究了α析出相對(duì)Ti－15Mo合金間隙腐蝕和抗拉強(qiáng)度的影響，研究表明時(shí)效態(tài)的Ti－Mo合金（粗大的α析出相）具有較高的抗間隙腐蝕能力，另外合金的抗拉強(qiáng)度隨合金α析出相體積分?jǐn)?shù)的增加而減小。但大多數(shù)研究主要側(cè)重于不同的Mo含量對(duì)合金顯微組織或力學(xué)性能的影響，對(duì)于Ti－Mo合金顯微組織、力學(xué)性能以及 Mo含量三者之間變化關(guān)系的研究較少。本工作主要研究固溶態(tài)Ti－Mo合金的顯微組織（特別是原始β晶粒尺寸）與力學(xué)性能（強(qiáng)度和塑性）以及Mo含量的變化規(guī)律，為設(shè)計(jì)新型鈦合金材料及研究鈦合金相變過程中組織演變的規(guī)律提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為ZH－25真空自耗電弧爐三次熔煉的Ti－Mo系二元合金鑄錠，合金設(shè)計(jì)的Mo元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%，2%，4%，15%和20%。合金經(jīng)開坯、β相區(qū)鍛造、軋制得到橫截面為70mm×30mm的棒材，合金的實(shí)測(cè)Mo含量如表1所示。采用金相法對(duì)Ti－Mo系二元合金的相變點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)相變點(diǎn)測(cè)試結(jié)果，在相變點(diǎn)以上20～50℃進(jìn)行固溶處理，處理時(shí)間為60～360min，研究固溶溫度、固溶時(shí)間以及合金Mo含量對(duì)Ti－Mo系合金組織形貌、原始β晶粒尺寸以及力學(xué)性能的影響。

表1 Ti－Mo合金的Mo含量Table 1 Mo contents of experimental Ti－Mo alloys

采用線切割的方式從以上各合金棒材上切取金相和拉伸等性能測(cè)試的試樣，固溶處理后試樣采用OLYMPUSPMG3倒置式金相顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察以及原始β晶粒尺寸的統(tǒng)計(jì)；用PW1700型X射線衍射儀對(duì)固溶態(tài)合金的物相進(jìn)行分析；用INSTRON1185多功能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 固溶態(tài)Ti－Mo合金的顯微組織和形貌

圖1所示為固溶態(tài)Ti－Mo合金的X射線衍射圖譜，由圖譜可知Ti－Mo合金的晶體結(jié)構(gòu)和顯微組織形貌隨合金Mo含量的不同而發(fā)生變化。Ti－1Mo合金和Ti－2Mo合金主要由α相組成，而Ti－4Mo合金的相組成發(fā)生變化，主要由六方馬氏體α′相和殘留的β晶界組成；當(dāng)合金的Mo含量大于10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）時(shí)，合金主要由單一的β相組成。Oliveira[11，12］和W.F.Ho[10］同樣對(duì)鑄態(tài)Ti－Mo合金的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了類似的研究，當(dāng)合金中的Mo含量達(dá)到6%時(shí)，合金中出現(xiàn)斜方馬氏體α″相，即Ti－6Mo合金主要由α′相和α″相組成；當(dāng)合金中的Mo含量達(dá)到7.5%時(shí)，合金中的六方馬氏體α′相完全轉(zhuǎn)變?yōu)樾狈今R氏體α″相，所以Ti－7.5Mo合金和Ti－8Mo合金主要由斜方馬氏體α″相組成；當(dāng)Mo含量達(dá)到9%時(shí)，合金中開始有保留的β相，所以Ti－9Mo合金和Ti－10Mo合金主要由斜方馬氏體α″相和β相組成。由于鈦合金固溶處理的目的主要是為了獲得并保留更多的亞穩(wěn)定相（α′，α″，ω和β′相），而時(shí)效處理促進(jìn)這些亞穩(wěn)定相按一定方式進(jìn)行分解，達(dá)到與特殊需求鈦合金性能的匹配，所以O(shè)liveira[11，12］和 W.F.Ho[10］的研究對(duì)固溶態(tài) Ti－Mo合金具有一定的參考價(jià)值。合金元素Mo屬于β同晶型穩(wěn)定元素，另外通過實(shí)驗(yàn)還可以發(fā)現(xiàn)合金Mo含量的增加有利于β相的生成，對(duì)β相起到穩(wěn)定作用。

圖2所示為固溶態(tài)Ti－Mo合金的顯微組織，與XRD分析結(jié)果相一致。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，Ti－4Mo主要由細(xì)小的針狀馬氏體α′相和原始β晶界組成，原始β晶粒較粗大，但比較均勻，晶粒尺寸在50～120μm之間，原始β晶界清晰，細(xì)小的針狀馬氏體α′相位于晶內(nèi)。Ti－15Mo和Ti－20Mo合金主要由等軸的β晶粒組成，晶粒尺寸隨合金Mo含量的增加而逐漸減小，晶粒尺寸在20～80μm之間，隨Mo含量的增加合金顯微組織細(xì)化的效果不是很明顯，特別是在Mo含量大于15%的條件下。另外從圖2還可以發(fā)現(xiàn)Ti－15Mo和Ti－20Mo合金晶界內(nèi)無明顯析出相。

圖2 固溶態(tài) Ti－Mo合金的金相顯微組織 （a）Ti－1Mo；（b）Ti－4Mo；（c）Ti－15Mo；（d）Ti－20MoFig.2 Optical micrographs of the Ti－Mo alloys after the solution treatment（a）Ti－1Mo；（b）Ti－4Mo；（c）Ti－15Mo；（d）Ti－20Mo

2.2 Mo含量和不同固溶條件對(duì)合金晶粒度的影響

對(duì)Ti－Mo系合金在相變點(diǎn)以上進(jìn)行60～360min固溶處理，冷卻方式均為空冷，隨后對(duì)固溶處理后的試樣進(jìn)行金相組織觀察，如圖2所示。由圖2可知原始β晶界清晰，便于晶粒度的測(cè)量，本實(shí)驗(yàn)根據(jù)GB／T 6394－2002對(duì)Ti－Mo系合金的晶粒度進(jìn)行測(cè)量。每個(gè)試樣采用若干視場(chǎng)進(jìn)行晶粒度的統(tǒng)計(jì)，然后計(jì)算得到原始β晶粒平均尺寸。圖3所示為900℃固溶處理后Ti－Mo合金的原始β晶粒平均尺寸與合金Mo含量的變化關(guān)系。從圖3可以清楚地發(fā)現(xiàn)Ti－Mo合金的原始β晶粒平均尺寸隨合金Mo含量的增加而顯著減小。其原因?yàn)楹辖鹬写罅康腗o元素溶質(zhì)原子阻礙合金晶界的移動(dòng)，晶粒長(zhǎng)大的阻力增強(qiáng)，從而達(dá)到抑制合金晶粒長(zhǎng)大的目的。當(dāng)合金的Mo含量大于4%時(shí)，Ti－Mo合金原始β晶粒平均尺寸減小的趨勢(shì)明顯降低，即 Ti－4Mo，Ti－15Mo和 Ti－20Mo的原始β晶粒平均尺寸都位于55～85μm之間，與圖2得到的結(jié)論相吻合。

圖3 900℃固溶處理后Ti－Mo合金的原始β晶粒平均尺寸與合金中Mo含量的變化關(guān)系Fig.3 The relationship between averageβgrain size and Mo content of Ti－Mo alloys after solution treatment at 900℃

圖4所示為900℃固溶處理后Ti－4Mo合金的原始β晶粒平均尺寸與固溶時(shí)間的變化關(guān)系。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著固溶時(shí)間的延長(zhǎng)，合金的原始β晶粒平均尺寸明顯長(zhǎng)大，固溶處理60min時(shí)合金的原始β晶粒平均尺寸為86.84μm；固溶處理時(shí)間超過120min時(shí)合金的原始β晶粒平均尺寸都大于100μm，固溶時(shí)間小于120min時(shí)合金的平均晶粒長(zhǎng)大較快。原始β晶粒在等溫條件下長(zhǎng)大，其晶粒尺寸與固溶時(shí)間可以用Beck方程表示：

式中：Dt為合金固溶時(shí)間為t時(shí)的平均晶粒直徑；D0為原始晶粒直徑；k為常數(shù)；t為時(shí)間；n為晶粒生長(zhǎng)指數(shù)。由圖4可以看出晶粒尺寸與固溶時(shí)間大致符合指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系，較好地符合理論推導(dǎo)公式。

圖4 900℃固溶處理后Ti－4Mo合金的原始β晶粒平均尺寸與固溶時(shí)間的變化關(guān)系Fig.4 The relationship between averageβgrain size and solution time of Ti－4Mo alloys after solution treatment at 900℃

圖5所示為60min固溶處理后Ti－4Mo合金的原始β晶粒平均尺寸與固溶溫度的變化關(guān)系。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，合金的原始β晶粒平均尺寸隨固溶溫度的升高顯著增大，特別是固溶溫度不小于950℃（高于合金相變點(diǎn)60℃）時(shí)合金晶粒長(zhǎng)大的趨勢(shì)明顯。當(dāng)固溶溫度超過合金相變點(diǎn)100℃時(shí)，合金的晶粒顯著粗化和長(zhǎng)大，影響合金的綜合性能。固溶溫度對(duì)晶粒長(zhǎng)大的作用主要是對(duì)合金晶界處原子跨越晶界遷移的擴(kuò)散過程的影響，即溫度越高，合金晶界處原子跨越晶界的擴(kuò)散速率加快（晶界的平均遷移率與exp（－Q／RT）成正比），合金晶粒的長(zhǎng)大速度也越快。綜上所述，為避免合金由于在固溶過程中晶粒組織的粗化長(zhǎng)大而影響合金的綜合性能，因此必須選擇合理的固溶溫度和固溶時(shí)間，Ti－4Mo合金合理的固溶制度：固溶溫度在880～920℃之間，固溶時(shí)間60min左右。

圖5 60min固溶處理后Ti－4Mo合金的原始β晶粒平均尺寸與固溶溫度的變化關(guān)系Fig.5 The relationship between averageβgrain size and solution temperature of Ti－4Mo alloys after solution treatment for 60min

2.3 晶粒尺寸對(duì)合金力學(xué)性能的影響規(guī)律

在圖3的基礎(chǔ)上，對(duì)不同Mo含量的Ti－Mo合金的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)圖3統(tǒng)計(jì)的原始β晶粒平均尺寸，得到圖6所示的合金原始β晶粒平均尺寸與抗拉強(qiáng)度變化關(guān)系的趨勢(shì)圖。由圖6可知：在合金固溶條件相同的條件下，合金的抗拉強(qiáng)度隨晶粒尺寸的減小而提高，其變化關(guān)系符合Hall－Petch關(guān)系式。圖7所示為相同固溶條件下合金原始β晶粒平均尺寸與合金斷后伸長(zhǎng)率的變化關(guān)系趨勢(shì)圖。由圖7可知：合金的塑性隨晶粒尺寸的減小有一定程度的降低，但當(dāng)合金的晶粒尺寸達(dá)到80μm時(shí)，合金的塑性基本保持不變。

圖6 900℃固溶處理后Ti－Mo合金原始β晶粒平均尺寸與抗拉強(qiáng)度的變化關(guān)系Fig.6 The relationship between averageβgrain size and tensile strength of Ti－Mo alloys after solution treatment at 900℃

圖7 900℃固溶處理后Ti－Mo合金原始β晶粒平均尺寸與伸長(zhǎng)率的變化關(guān)系Fig.7 The relationship between averageβgrain size and elongation of Ti－Mo alloys after solution treatment at 900℃

合金元素Mo提高合金強(qiáng)度的主要途徑是晶界強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化，即合金隨Mo含量的增加，有效提高了固溶體的溶質(zhì)原子數(shù)量；由于溶質(zhì)原子和位錯(cuò)的交互作用以及溶質(zhì)原子和溶劑原子的尺寸差異，或者是偏聚的原子團(tuán)和基體的體積差異，會(huì)引起一個(gè)內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)，這個(gè)內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)也有交互作用，從而增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使合金的強(qiáng)度提高。合金元素Mo屬于置換型β同晶型穩(wěn)定元素，與鈦元素的原子半徑相差較小，因此Mo元素對(duì)鈦合金基體產(chǎn)生的彈性應(yīng)變場(chǎng)較小，其強(qiáng)化效果也有限，但由于Mo元素與Ti元素未形成金屬間化合物，因此Mo元素對(duì)鈦合金的塑性降低也不是很明顯。

另一方面Mo含量的增加，有效細(xì)化了鈦合金的晶粒，根據(jù) Hall－Petch公式（σS＝σ0＋kd－1／2，其中σS為屈服強(qiáng)度；d為晶粒直徑；σ0和k是與材料相關(guān)的Hall－Petch公式系數(shù)），材料的屈服強(qiáng)度與晶粒直徑平方根的倒數(shù)呈線性關(guān)系，即合金的屈服強(qiáng)度隨晶粒直徑的減小而增大，所以合金晶粒及內(nèi)部組織的細(xì)化對(duì)提高合金的強(qiáng)度是有利的。另外由于晶界更容易發(fā)生應(yīng)力集中，并且隨晶粒尺寸的減小，應(yīng)力集中的效應(yīng)更加明顯，所以合金的伸長(zhǎng)率和斷面收縮率將隨晶粒尺寸的減小而略有降低。

3 結(jié)論

（1）Ti－Mo合金的晶體結(jié)構(gòu)和組織形貌隨合金Mo含量的不同而發(fā)生變化，Ti－1Mo合金和 Ti－2Mo合金主要由等軸的α相組成，Ti－4Mo合金主要由針狀六方馬氏體α′相和原始β晶界組成；當(dāng)合金Mo含量超過10%時(shí)，合金主要由等軸的β相組成。

（2）合金的晶粒尺寸與固溶的溫度和時(shí)間以及合金中Mo元素的含量有關(guān)。晶粒尺寸與固溶時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系；在固溶時(shí)間一定的條件下，晶粒隨固溶溫度的升高而明顯粗化，而合金Mo含量的增加也顯著減小合金的晶粒尺寸。

（3）合金的抗拉強(qiáng)度隨晶粒尺寸的減小而提高，其變化關(guān)系符合Hall－Petch關(guān)系式，而合金的塑性基本穩(wěn)定。

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