兩種Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α型鈦合金的性能對比研究

賈蔚菊，趙恒章，韓 棟，洪 權，毛小南

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

兩種Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α型鈦合金的性能對比研究

賈蔚菊，趙恒章，韓 棟，洪 權，毛小南

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

以具有典型組織狀態(tài)的Ti60和Ti834兩種近α型鈦合金為研究對象，對比分析了這兩種合金600 ℃×100 h熱暴露前后的室溫拉伸性能以及這兩種合金經(jīng)激光沖擊強化后的性能變化。結果表明：Ti60合金的室溫拉伸強度明顯高于Ti834合金，而塑性相對較低；經(jīng)600 ℃×100 h高溫熱暴露以后，Ti60和Ti834合金的強度變化均不大，而塑性均急劇降低；激光沖擊處理后再經(jīng)熱暴露，Ti60合金和Ti834合金的塑性均進一步降低，可見激光沖擊處理對近α型高溫鈦合金的熱穩(wěn)定性能是不利的。

Ti60合金；Ti834合金；熱穩(wěn)定性能；激光沖擊

0 引 言

鈦合金因具有比強度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點而被廣泛用于制造飛機發(fā)動機葉片、機匣等零部件。并且隨著航空航天技術的不斷發(fā)展，各國都在努力提高鈦合金在飛機上的應用百分比，從而更進一步促進了高溫鈦合金的開發(fā)與發(fā)展。其中，Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α型鈦合金是開發(fā)和應用最廣泛的高溫鈦合金[1]，典型代表有Ti834、Ti1100、BT36、Ti600及Ti60等[2-4]。在這些高溫鈦合金中，對Ti834合金的研究最為深入與成熟，該合金已經(jīng)在EJ200、TRENT800等發(fā)動機上獲得了成功應用[5]。Ti60合金是我國在Ti834合金基礎上提高Si元素含量，增添Ta元素設計而成的一種近α型鈦合金，它是我國先進航空發(fā)動機高溫部件的重要候選材料之一[6]。

本研究則以具有典型組織結構的Ti60和Ti834兩種合金為研究對象，對比了這兩種合金的室溫拉伸性能、600 ℃熱穩(wěn)定性能以及這兩種合金經(jīng)激光沖擊強化后的性能變化規(guī)律，深入分析了這兩種合金的性能差異及引起差異的原因，旨在為我國Ti60合金的成功應用發(fā)揮重要作用。

1 實 驗

實驗用Ti60及Ti834合金為經(jīng)β單相區(qū)開坯鍛造后，再經(jīng)兩相區(qū)多次鍛造獲得的φ150 mm棒材，其化學成分如表1所示。

表1 Ti60和Ti834合金的化學成分(w/%)Table 1 Chemical composition of Ti60 and Ti834 alloys

經(jīng)1 020 ℃×2 h/AC+700 ℃×2 h/AC熱處理后，獲得兩種合金典型的微觀組織，如圖1所示。兩種合金均由等軸α相和β轉變組織構成。Ti60合金中等軸初生α相含量在15% ～20%之間，β轉變組織由條狀α相和殘余β相交替構成，無原始β晶界。而Ti834合金中的α相含量在30% ～45%之間，原始β晶粒較細，晶界上可以觀察到不連續(xù)的晶界α相，且等軸α相主要分布在晶界上，原始β晶內析出細小的交錯分布的條狀α相。

圖1 Ti60和Ti834合金的初始組織Fig.1 The initial microstructures of Ti60 and Ti834 alloys

室溫拉伸試樣和熱穩(wěn)定試樣均采用工作直徑為5 mm，標距有效長度為25 mm的標準試樣。熱暴露實驗是將熱穩(wěn)定試樣在箱式電爐中于600 ℃下保溫100 h后進行室溫拉伸。顯微硬度測試采用401MVD型顯微維氏硬度計，測量載荷為100 g，加載時間30 s。采用線切割在拉伸試樣斷口附近切取0.5 mm的薄片，機械打磨成約40 μm的薄膜，最后經(jīng)雙噴電解穿孔制成TEM試樣。雙噴電解液成分為甲醇167 mL+正丁醇83.3 mL+高氯酸12.5 mL，電解溫度-30 ℃，液氮冷卻。采用JEM-200CX型透射電子顯微鏡進行觀察和拍照。

激光沖擊實驗在Nd：YAG高功率激光沖擊強化裝置上進行，實驗裝置由激光系統(tǒng)、試件和夾具組成。根據(jù)國內外對激光沖擊(LSP)在鈦合金方面的相關研究，本次實驗選用激光能量為4 J，脈寬20 ns，光斑直徑2.6 mm，約束層為2 mm的流動水介質，吸收層為0.1 mm的碳黑膠帶。將經(jīng)激光沖擊后的試樣分為兩組，一組用于測試室溫拉伸性能，另一組用于測試600 ℃下熱暴露100 h后的熱穩(wěn)定性能。采用X350A 型X射線應力儀測試經(jīng)激光沖擊后的Ti834合金試樣的殘余應力，鉻靶Ka特征輻射，準直管直徑2 mm，傾斜角范圍15° ～90°。

2 實驗結果

2.1 合金的力學性能

圖2為Ti60和Ti834合金600 ℃下熱暴露100 h前后的室溫拉伸性能。

圖2 Ti60和Ti834合金熱暴露前后的室溫拉伸性能Fig.2 Room-temperature tensile properties of Ti60 and Ti834 alloys before and after thermal exposure

由圖2a可見，Ti60合金的強度明顯高于Ti834合金，而塑性較低。經(jīng)600 ℃×100 h高溫熱暴露以后(如圖2b)，Ti60和Ti834合金的強度變化均不大，而塑性均急劇降低，延伸率分別下降了58%和54%，斷面收縮率分別下降了48%和69%。

2.2 激光沖擊后合金的力學性能

圖3為Ti60和Ti834合金經(jīng)激光沖擊處理后600 ℃下熱暴露100 h前后的室溫拉伸性能。

圖3 激光沖擊處理后Ti60和Ti834合金熱暴露前后的室溫拉伸性能Fig.3 Room-temperature tensile properties of Ti60 and Ti834 alloys after laser shock peening

對比圖3a和圖2a可見，激光沖擊后兩種合金的強度有所提高，而塑性基本沒有變化。對比圖3b和圖2b可見，對于Ti60合金，若試樣經(jīng)600 ℃×100 h熱暴露之前經(jīng)激光沖擊處理，則強度和塑性均進一步降低，而Ti834合金的強度略有升高，塑性進一步降低。綜合考慮，可見激光沖擊對Ti60和Ti834合金均有一定的強化效果，但對其熱穩(wěn)定性能不利。

3 結果與討論

3.1 相組成對合金性能的影響

鈦合金的微觀組織是力學性能綜合特征的反映。通常，對于等軸α相和β片層轉變組織混合的兩相組織，等軸α相體積分數(shù)的增加會增強抗裂紋萌生的能力，有利于鈦合金塑性和沖擊性能的提高，而β片層體積分數(shù)的增加有利于材料斷裂韌性的增強[7]。本研究中等軸α相含量的不同是導致Ti60和Ti834合金性能差異的主要原因之一。另有研究表明，在單向拉伸條件下，裂紋在擴展過程中將繞開等軸初生α相，主要在基體β轉變組織中擴展[8]，這主要與等軸初生α相和β轉變組織的硬度有關。Ti834合金中等軸初生α相和β轉變組織的顯微硬度測試結果如表2所示。從表2可以看出，等軸α相的硬度明顯高于β轉變組織的硬度，這是由于Al、O等易于在初生α相中富集，從而強化了α相，致使裂紋擴展過程中易于在相對較軟的β轉變組織中擴展。因此，等軸α相含量越高，裂紋擴展路徑越曲折，合金表現(xiàn)出較好的塑性。

表2 Ti834合金中等軸α相(αp)和β轉變組織(βt)的顯微硬度Table 2 Micro-hardness of exquiaxed α phase and transformed β phase in Ti834 alloy

3.2 析出相對合金性能的影響

合金中微量元素及微觀組織的差異會使合金在后續(xù)熱處理或高溫服役過程中，組織內部析出情況不同，這是導致合金性能差異的另外一個重要原因。在鈦合金中，硅作為共析型合金元素，以兩種方式存在于合金中，一種是以間隙固溶的方式固溶在合金中，起到固溶強化的作用，另一種是以硅化物的形式析出。圖4和圖5分別為Ti60和Ti834合金經(jīng)600 ℃×100 h熱暴露前后的TEM照片。

由圖4a和圖5a可見，在未經(jīng)熱暴露的Ti60和Ti834合金中,α/β界面均有細小的硅化物析出，且Ti834合金中析出的硅化物的數(shù)量較Ti60合金的多。由表1可知，Ti834合金和Ti60合金中Si元素含量分別為0.35和0.4，Ti834合金中Si元素的含量相對較少，而經(jīng)同樣熱處理后析出的細小硅化物的數(shù)量卻比Ti60合金中的多。這說明在Ti60合金中，更多的Si元素是以固溶形式存在于基體中，這是導致Ti60合金室溫強度高于Ti834合金的另一個重要原因。Ti60合金經(jīng)600 ℃×100 h熱暴露后，α/β界面析出的硅化物數(shù)量增多，硅化物呈紡錘狀，并且在等軸α相中可以觀察到大量交錯分布的位錯線和位錯墻結構，如圖4b、c所示。而Ti834合金經(jīng)600 ℃×100 h熱暴露后，α/β界面硅化物數(shù)量變化不大，在板條α相中有大量的位錯結構，同時在等軸α相中也可以觀察到大量交錯分布的位錯結構，如圖5b、c所示。

圖4 Ti60合金熱暴露前后的TEM照片F(xiàn)ig.4 TEM photos of Ti60 alloy before and after thermal exposure

圖5 Ti834合金熱暴露前后的TEM照片F(xiàn)ig.5 TEM photos of Ti834 alloy before and after thermal exposure

圖6為Ti60和Ti834合金經(jīng)600 ℃×100 h熱暴露后放大倍數(shù)更大的TEM照片。在更大放大倍數(shù)及暗場下觀察發(fā)現(xiàn)，Ti60合金等軸α相中出現(xiàn)了超點陣衍射斑點，其暗場相可見大量彌散分布的α2相(圖6a、b)，而在Ti834合金的等軸α相中同樣發(fā)現(xiàn)了超點陣結構，但從其暗場相上來看，α2相主要聚集在位錯線附近，如圖6c、d所示。α2相為脆性相，會引起合金塑性的降低，這與本研究中的力學性能結果是一致的。

3.3 激光沖擊強化機理分析

由圖3可知，激光沖擊對Ti60及Ti834合金的室溫拉伸強度均有顯著影響，而對室溫塑性基本沒有影響。本研究測試了Ti834合金經(jīng)激光沖擊處理后試樣橫截面上的殘余應力分布，結果如圖7所示。由圖可見，試樣表面殘余壓應力最大，遠離試樣表面殘余壓應力逐漸減小。這主要是由于試樣表面經(jīng)激光沖擊處理后發(fā)生了劇烈的塑性變形，組織內部產(chǎn)生了大量的位錯結構，從而使材料發(fā)生了強化。通常，近α型高溫鈦合金經(jīng)高溫熱暴露后會發(fā)生兩種變化，一種是試樣表面會在高溫下發(fā)生氧化形成富氧層，另一種是合金內部會析出硅化物和脆性相，這些均會導致合金塑性的降低，正如圖2所示。而激光沖擊會導致空洞和位錯等變形缺陷的形成，在高溫熱暴露過程中，這些缺陷為氧向基體內部擴散提供了通道，從而使得合金表面氧含量增加。氧為α相穩(wěn)定元素，氧濃度的增加會促使富氧α層的增厚，使裂紋易于在試樣表面的富氧α層中生成，從而使得合金脆性增加?？梢?，激光沖擊處理對近α型高溫鈦合金的熱穩(wěn)定性能是不利的。

圖6 Ti60及Ti834合金熱暴露后等軸α相的TEM照片F(xiàn)ig.6 TEM photos of the exquiaxed α phase of Ti60 and Ti834 alloys after thermal exposure

圖7 經(jīng)激光沖擊后Ti834合金試樣橫截面殘余應力分布圖Fig.7 Profiles of the in-depth residual stress of the laser shock peening specimen

4 結 論

本研究通過對比Ti60和Ti834兩種合金的室溫拉伸性能、高溫熱穩(wěn)定性能以及經(jīng)激光沖擊處理后的性能變化情況，得到以下結論。

(1)Ti60合金的室溫拉伸強度明顯高于Ti834合金，而塑性相對較低，這主要是由于合金中的等軸α相含量對裂紋的擴展有一定的阻礙作用，等軸α相含量越高，塑性相對較好。

(2)經(jīng)600 ℃×100 h高溫熱暴露后，Ti60和Ti834合金的強度變化均不大，而塑性均急劇降低。延伸率分別下降58%和54%，斷面收縮率分別下降48%和69%，這主要與組織內部的析出相有關。

(3)激光沖擊處理后再經(jīng)熱暴露，Ti60合金的強度和塑性進一步降低，而Ti834合金的強度略有升高，塑性進一步降低?？梢姡辖鸨砻娼?jīng)激光沖擊處理后有一定的強化效果，但對合金的熱穩(wěn)定性能不利。

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Research on the Properties of Two Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si Near-αTitanium Alloys

Jia Weiju,Zhao Hengzhang,Han Dong,Hong Quan,Mao Xiaonan

(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi’an 710016,China)

Ti60 and Ti834 titanium alloy with typical microstructures were exposed at 600 ℃ for 100 h.The room-temperature tensile properties before and after exposure,and the effect of laser shock peening(LSP) on the properties of the two alloys were investigated.The results show that the room-temperature tensile strength of Ti60 alloy is higher than that of Ti834 alloy,but the ductility is lower relatively.The ductility of the two alloys decreases sharply but the strength has nearly no change after 600 ℃×100 h thermal exposure.For the LSP specimens,the ductility of the two alloys decreases further after thermal exposure.Therefore,the LSP treatment has a detrimental effect on the thermal stability of the nearαtitanium alloy.

Ti60 alloy; Ti834 alloy; thermal stability; laser shock peening

2015-04-01

國家“973”計劃資助項目(2011CB012805)

賈蔚菊(1981—)，女，工程師。