Ti-600合金蠕變性能及硅對(duì)其蠕變性能的影響

白保良，曾 光，戚運(yùn)蓮，洪 權(quán)，朱梅生

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

0 引言

Ti-600合金名義成分為Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.5Mo-0.4Si-0.1Y，是西北有色金屬研究院研發(fā)的一種可在600℃使用的近α型高溫鈦合金［1－3］，主要用做先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)輪盤和葉片，其使用環(huán)境要求合金具有較高的蠕變抗力及較小的蠕變塑性應(yīng)變［4］。蠕變通常是指物體在低于屈服強(qiáng)度的恒定應(yīng)力作用下，應(yīng)變隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增長(zhǎng)的流變現(xiàn)象。研究表明，限制高溫鈦合金發(fā)展與應(yīng)用的主要障礙是600℃高溫環(huán)境下鈦合金蠕變抗力的急劇下降，不足以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件對(duì)合金材料的要求［2，5］。

Si是高溫鈦合金重要的添加元素之一，適宜的添加量為0～0.5%［6］，一般固溶于合金中或是以化合物的形式存在，前者產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化作用對(duì)合金蠕變性能的提高有很大貢獻(xiàn)。高溫鈦合金中主要存在兩種六方結(jié)構(gòu)的硅化物，一種是S1型的Ti5Si3，另一種是S2型的Ti6Si3［3］。加入Sn、Zr等合金元素時(shí)，它們將置換S1和S2型硅化物中部分Ti或Si元素，形成晶體結(jié)構(gòu)相同、晶格常數(shù)略有差異的新S1或S2型硅化物［7］。一直以來，關(guān)于高溫鈦合金中硅化物的析出特點(diǎn)、Si對(duì)合金蠕變性能的影響等問題的研究從未中斷過。對(duì)600℃高溫鈦合金Ti60的研究表明，合金中添加0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右的Si后，橢球形的硅化物不連續(xù)、彌散地析出于β相或α/β相界上，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用，使得合金的蠕變抗力大大提高［8］。而Ti-600合金的蠕變研究主要集中在600℃蠕變100 h后合金的殘余變形上［5］，對(duì)蠕變行為以及Si對(duì)合金蠕變性能的影響較少涉及。

因此，重點(diǎn)研究了經(jīng)固溶+時(shí)效處理的Ti-600合金在3種溫度、5種應(yīng)力下的蠕變性能，并分析Si對(duì)合金蠕變行為的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用二次熔煉的 φ420 mm Ti-600合金鑄錠，經(jīng)β相區(qū)開坯鍛造后，在兩相區(qū)軋制獲得直徑為16 mm的棒材。在Ti-600合金棒材上切取工作直徑為5 mm，標(biāo)距長(zhǎng)度為50 mm的蠕變?cè)嚇舆M(jìn)行固溶+時(shí)效處理(1020℃ ×1 h/AC+650℃ ×8 h/AC)。

在RD-2型高溫蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上進(jìn)行蠕變實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溫度分別為550、600、650℃，蠕變應(yīng)力分別為150、200、250、300、350 MPa。測(cè)量 Ti-600合金試樣的蠕變曲線并對(duì)其蠕變行為進(jìn)行分析。

從蠕變實(shí)驗(yàn)后的試樣上沿軸向切取厚度為0.3 mm的薄片，將薄片機(jī)械研磨至40～50 μm，采用雙噴電解裝置進(jìn)行電解拋光獲得透射電鏡樣品。電解液為體積比為1∶10∶6的高氯酸、甲醇、正丁醇混合液，溫度≤－30℃，電壓為50 V。采用JEM200CX型透射電鏡(TEM)觀察蠕變實(shí)驗(yàn)后Ti-600合金試樣的顯微組織。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溫度和應(yīng)力下Ti-600合金的蠕變激活能

根據(jù)蠕變理論，穩(wěn)態(tài)蠕變速率是反映材料蠕變行為的特征量，其數(shù)值可以根據(jù)蠕變曲線的斜率和試樣的標(biāo)距長(zhǎng)度計(jì)算得出［9］。表1和表2分別示出了Ti-600合金在300 MPa、不同溫度下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率以及在600℃和650℃、不同應(yīng)力下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率。表1、表2的數(shù)據(jù)表明，在蠕變應(yīng)力相同時(shí)，Ti-600合金的穩(wěn)態(tài)蠕變速率隨溫度的升高而增大;而在蠕變溫度相同時(shí)，穩(wěn)態(tài)蠕變速率則隨蠕變應(yīng)力的增加而增大。從表2中還可以看出，蠕變應(yīng)力高達(dá)350 MPa時(shí)，在600℃和650℃下，Ti-600合金均具有較低的穩(wěn)態(tài)蠕變速率，分別為3.72×10－7s－1和9.19 ×10－6s－1，表明合金具有較好的抗蠕變性能。

表1 Ti-600合金在300 MPa、不同溫度下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率Table 1 The steady creep rate of Ti-600 alloy at different temperatures with the stress of 300 MPa

表2 不同溫度、應(yīng)力下Ti-600合金的穩(wěn)態(tài)蠕變速率Table 2 The steady creep rate of Ti-600 alloy with different temperatures and stresses

蠕變激活能是反映蠕變機(jī)理的重要參數(shù)之一。當(dāng)應(yīng)力不變時(shí)，蠕變激活能的計(jì)算公式可表述為［10］:

測(cè)定某一恒定應(yīng)力下，溫度T1、T2時(shí)的穩(wěn)態(tài)蠕變速率后，便可以按照式(1)計(jì)算得到合金的蠕變激活能，結(jié)果如圖1及表3所示。由圖1可知，實(shí)驗(yàn)溫度為 600～650℃，應(yīng)力為 150、200、250、300、350 MPa時(shí)，固溶+時(shí)效處理后Ti-600合金試樣的蠕變激活能 Q150MPa為 332.7 kJ·mol－1，Q200MPa為 489 kJ·mol－1，Q250MPa為 536.8 kJ·mol－1，Q300MPa為574.6 kJ·mol－1，Q350MPa為 429.6 kJ·mol－1。采用同樣方法，按照式(1)可以計(jì)算出應(yīng)力為300 MPa，實(shí)驗(yàn)溫度為550～650℃下Ti-600合金的蠕變激活能Q，結(jié)果如圖表3所示。從表3可以看出，實(shí)驗(yàn)溫度為550～600℃，蠕變激活能 Q550～600℃為417.7 kJ·mol－1;實(shí)驗(yàn)溫度為 600～650℃，蠕變激活能Q600～650℃為 574.6 kJ·mol－1。

圖1 600～650℃、不同應(yīng)力下Ti-600合金的蠕變激活能Fig.1 Activation energy of Ti-600 alloy with different stresses at 600～650℃

表3 550～650℃、300 MPa下Ti-600合金的蠕變激活能Table 3 Activation energy of Ti-600 alloy at 550～650℃with the stress of 300 MPa

由文獻(xiàn)可知，Ti-6Al-4V合金在500～600℃，蠕變應(yīng)力為97～472 MPa時(shí)，Q為415 kJ·mol－1;IMI 834合金在600～700℃，蠕變應(yīng)力為150～500 MPa 時(shí)，Q 為 514 kJ·mol－1［11］。本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果說明，與IMI 834和Ti-6Al-4V合金相似，Ti-600合金也具有較大的蠕變激活能，表明該合金具有較好的抗蠕變性能。

2.2 Si元素對(duì)Ti-600合金蠕變性能的影響

600℃、150 MPa蠕變實(shí)驗(yàn)后Ti-600合金中析出的硅化物粒子的形貌、衍射花樣及其標(biāo)定如圖2所示。從透射電鏡照片中可以清晰地看出硅化物的形貌與析出位置，同時(shí)可以觀察到Ti-600合金是由片層狀的α相、β相以及顆粒狀硅化物組成的，其中襯度較淺的粗片層為α相，夾在α片層之間襯度較深的細(xì)片層為β相。硅化物基本都在β片層上或α/β相界面處呈線形排列析出;而在α相中，硅化物析出量很少。從透射電鏡照片還可以看出，硅化物呈點(diǎn)狀或橢球狀，其尺寸約為0.03～0.3 μm，如圖2a所示。對(duì)蠕變實(shí)驗(yàn)后試樣中的硅化物進(jìn)行了電子衍射分析，如圖2b所示。標(biāo)定結(jié)果表明，Ti-600合金中的硅化物為S2型(TiZr)6Si3化合物。由文獻(xiàn)［3］可知，這種硅化物的晶格常數(shù)約為:a=0.698 nm，c=0.368 nm。

圖2 600℃、150 MPa蠕變后Ti-600合金試樣的TEM形貌及衍射花樣Fig.2 TEM morphology and diffraction pattern of Ti-600 alloy crept at 600℃with the stress of 150 MPa

650℃蠕變后Ti-600合金內(nèi)硅化物與位錯(cuò)的形貌如圖3所示。透射電鏡觀察表明，蠕變實(shí)驗(yàn)后，有如圖3a所示的β相界變寬的現(xiàn)象，這表明Ti-600合金在高溫長(zhǎng)時(shí)蠕變過程中，發(fā)生了β→α+硅化物的分解反應(yīng)，在α片層界面上沉淀析出的硅化物(如圖3b箭頭所示)成為位錯(cuò)越過α片層的有力障礙，阻礙位錯(cuò)的滑移。這是因?yàn)槲诲e(cuò)對(duì)Si有吸引作用，在吸引力作用下，固溶狀態(tài)的Si偏聚于位錯(cuò)處形成柯氏氣團(tuán)，氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)速度低于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度，能夠強(qiáng)烈阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，起到釘扎位錯(cuò)的作用，結(jié)果使合金的蠕變抗力得到了提高。通常認(rèn)為，只有均勻分布的硅化物才能有效地阻礙位錯(cuò)的滑移，而Ti-600合金內(nèi)細(xì)小的硅化物基本上都是在β相中彌散析出的，如圖2a所示，因此合金的晶界和相界得以強(qiáng)化，合金的蠕變性能得到提高。

綜上所述，硅化物可以釘扎位錯(cuò)、阻礙位錯(cuò)的滑移，使Ti-600合金表現(xiàn)出很高的蠕變激活能，從而使其具有較好的蠕變抗力。這與圖1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合，也與張振祺等人的研究結(jié)果［12］一致。

圖3 650℃、200 MPa蠕變后Ti-600合金試樣的TEM形貌Fig.3 TEM morphologies of Ti-600 alloy crept at 650℃with the stress of 200 MPa

3 結(jié)論

(1)在蠕變溫度為550～650℃，應(yīng)力為150～350 MPa條件下，Ti-600合金具有較小的穩(wěn)態(tài)蠕變速率。當(dāng)蠕變應(yīng)力高達(dá)350 MPa時(shí)，蠕變溫度為600℃和650℃下，Ti-600合金的穩(wěn)態(tài)蠕變速率分別為3.72 ×10－7s－1和 9.19 ×10－6s－1。

(2)3種溫度、5種應(yīng)力下的蠕變實(shí)驗(yàn)表明，Ti-600合金具有較大的蠕變激活能，蠕變激活能最高可達(dá) 574.6 kJ·mol－1，最低為 332.7 kJ·mol－1。

(3)蠕變實(shí)驗(yàn)后，Ti-600合金內(nèi)析出了S2型(TiZr)6Si3硅化物，硅化物能夠釘扎位錯(cuò)、阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使得Ti-600合金具有較高的蠕變抗力。

［1］洪權(quán)，張振祺，楊冠軍，等.Ti600合金的熱機(jī)械加工工藝與組織性能［J］.金屬學(xué)報(bào)，2002，38(增刊1):135－137.

［2］Zeng L Y，Zhao Y Q，Hong Q，et al.High cycle fatigue property of Ti-600 alloy at ambient temperature［J］.Journal of Alloys and Compounds，2011，509(5):2081－2086.

［3］Cui W F，Liu C M，Zhou L，et al.Characteristics of microstructures and second-phase particles in Y-bearing Ti-1100 alloy［J］.Material Science and Engineering A，2002，323(1/2):192－197.

［4］Matsunaga T，Kameyama T，Takahashi K，et al.Constitutive relation for ambient temperature creep in hexagonal closepacked metals［J］.Materials Transactions，2009，50(12):2858－286.

［5］Zeng L Y，Hong Q，Yang G J，et al.Tensile and creep properties of Ti-600 alloy［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2007，17(增刊1):522－525.

［6］陳衛(wèi)峰，石玉峰.Ti6242S合金中硅化物出現(xiàn)的條件［J］.稀有金屬材料與工程，1999，28(5):323－325.

［7］Singh A K，Roy T，Ramachandra C.Microstructural stability on aging of an α + β titanium alloy:Ti-6Al-1.6Zr-3.3Mo-0.30Si［J］.Metallurgical and Materials Transactions A，1996，27(5):1167－1173.

［8］蔡建明，郝孟一，李學(xué)明，等.Ti-60合金中硅化物的析出行為［J］.金屬學(xué)報(bào)，1999，35(增刊1):198－201.

［9］曾立英，楊冠軍，洪權(quán)，等.Ti-600合金的高溫蠕變行為［J］.材料熱處理學(xué)報(bào)，2011，32(2):81－85.

［10］Vagarali S S，Landon T G.Deformation mechanisms in H.C.P metals at elevated temperatures-Ⅰ.Creep behavior of magnesium［J］.Acta Metallurgica Sinica，1981，129(1):1969－1982.

［11］Mishra H，Satyanarayana D V V，Nandy T K，et al.Effect of trace impurities on the creep behavior of a near α titanium alloy［J］.Scripta Materialia，2008，59(6):591 －594.

［12］張振祺，洪權(quán)，楊冠軍，等.Ti600高溫鈦合金蠕變前后的組織變化［J］.材料工程，2000(10):18－21.