系列Mo-Ti-Zr材料組織性能研究

付靜波，楊秦莉，趙 虎，王 娜，卜春陽，莊 飛

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司技術(shù)中心，陜西 西安 710077)

0 引 言

鉬具有高熔點(diǎn)(2 620 ℃)、低熱膨脹系數(shù)、高熱導(dǎo)率、高耐磨性，以及高彈性模量和良好的耐腐蝕能力，但是由于其高的室溫脆性和低的再結(jié)晶溫度限制了其在高溫領(lǐng)域的使用。Mo-Ti-Zr-C系TZM鉬合金是以難熔金屬鉬為基體，添加少量合金元素組成的一種非常典型的高溫鉬合金，與純Mo相比，TZM鉬合金具有更高的再結(jié)晶溫度(比純鉬高300～400 ℃)、更高的室溫和高溫力學(xué)性能，在1 400～2 000 ℃場合作為高溫結(jié)構(gòu)材料等具有很重要的用途，并正在航空航天、國防軍工、原子核能、電子信息等尖端技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。如在航空航天和發(fā)動機(jī)中用作高溫抗燒蝕材料和高溫結(jié)構(gòu)承載部件，火箭鼻錐、發(fā)動機(jī)噴管、飛行器前緣、方向舵、隔熱屏、蜂窩結(jié)構(gòu)等。在核能利用領(lǐng)域，TZM合金高的高溫持久強(qiáng)度以及優(yōu)良的抗中子輻射能力，使其在核能源設(shè)備上被廣泛使用，如輻射罩、支撐架、熱交換器、軌條，以及氣體冷卻反應(yīng)堆的包套材料和堆芯結(jié)構(gòu)材料等[1-5]。

隨著航空、航天以及原子核能等前沿領(lǐng)域的發(fā)展，對鉬金屬的性能要求日趨苛刻，TZM合金已經(jīng)不能完全滿足上述領(lǐng)域需求[6-8]。因此，開發(fā)具有更高室溫、高溫力學(xué)性能的鉬及鉬合金，并拓展其應(yīng)用領(lǐng)域成為當(dāng)下鉬研究工作者的重要任務(wù)。本研究是在常規(guī)TZM合金的基礎(chǔ)上，采用粉末冶金方法制備出鋯含量不同的Mo-Ti-Zr系列材料，并對其組織與性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

1 材料制備及加工

所用主要原料有高純鉬粉，純度為99.5%的TiH2、ZrH2及純碳粉等。將費(fèi)氏粒度3 μm的高純鉬粉與粒度為10 μm 的TiH2、ZrH2以及純碳粉等按比例混合均勻，經(jīng)冷等靜壓壓制成單重5 kg的壓坯，壓坯經(jīng)1 980 ℃燒結(jié)，得到厚度為25 mm左右的燒結(jié)坯料，試驗(yàn)坯料對應(yīng)的主要化學(xué)成分見表1。試驗(yàn)材料在1 300 ～1350 ℃下進(jìn)行開坯，軋制得到4～5 mm板材。對軋制板材在1 200 ℃進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，保溫時(shí)間2 h。

表1 試驗(yàn)材料主要化學(xué)成分 %

2 試驗(yàn)過程

金相試樣從燒結(jié)坯上截取，經(jīng)電解拋光和化學(xué)腐蝕在LEICAMEF4M型金相顯微鏡下觀察；在MTS810材料試驗(yàn)機(jī)上測試去應(yīng)力態(tài)試驗(yàn)板材的室溫拉伸性能；試驗(yàn)板材的高溫拉伸試驗(yàn)在高溫真空拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，所用標(biāo)準(zhǔn)為GB/ T4338-2006，檢測溫度為800 ℃；室溫、高溫拉伸斷口形貌在HITACHI S-3400型掃描電鏡上進(jìn)行觀察；材料的抗彎性能在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 31967.2-2015。試驗(yàn)采用三點(diǎn)彎曲法進(jìn)行測量，加載速率為1.0 mm/min。

3 結(jié)果與分析

3.1 金相顯微組織

圖1為試驗(yàn)材料燒結(jié)態(tài)金相組織。從圖1可以看出，1#材料晶粒尺寸為10～20 μm(圖1a)；2#材料相對1#材料晶粒尺寸略有減小(圖1b)；3#、4#材料相對1#材料晶粒尺寸減小較為明顯，大約為10～15 μm(圖1c、圖1d)；5#、6#材料相對1#材料晶粒尺寸減小最為明顯，此時(shí)晶粒尺寸大約為5～10 μm(圖1e、圖1f)。

圖1 試驗(yàn)材料燒結(jié)態(tài)金相照片

圖2為試驗(yàn)材料燒結(jié)坯的硬度檢測結(jié)果。從圖2可以看出，1#材料燒結(jié)態(tài)的硬度最低，為HRA51.7，2#材料硬度相對于1#略有增加，為HRA52.1；3#、4#、5#、6#材料硬度相對于1#、2#均有明顯增加，其中6#增加幅度最大，達(dá)到HRA 56.3。另外，試驗(yàn)材料的硬度值均高于常規(guī)純鉬材料(常規(guī)鉬燒結(jié)態(tài)的硬度一般為HRA48左右)。

圖2 試驗(yàn)材料燒結(jié)坯硬度檢測結(jié)果

3.2 室溫拉伸性能研究

表2為4 mm厚試驗(yàn)板材去應(yīng)力退火后的室溫拉伸力學(xué)性能檢測結(jié)果。從表2可以看出，試驗(yàn)板材的室溫抗拉強(qiáng)度均在900 MPa以上，屈服強(qiáng)度均在800 MPa以上。其中1#板材室溫抗拉強(qiáng)度為921 MPa，屈服強(qiáng)度為830 MPa，延伸率為6.5%；2#板材室溫力學(xué)性能相對于1#未見明顯變化，其室溫抗拉強(qiáng)度為928 MPa，屈服強(qiáng)度均在835 MPa，延伸率為8.2%；3#、4#板材室溫力學(xué)性能相對于1#、2#明顯提高，其中4#板材室溫抗拉強(qiáng)度為948 MPa，屈服強(qiáng)度為875 MPa，延伸率為9.5%；5#板材與1#室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度相當(dāng)，但延伸率明顯增加；與1#、2#、3#、4#、5#板材相比，6#板材室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及延伸率均明顯增加，其室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到975 MPa，屈服強(qiáng)度均在886 MPa，延伸率為16.7%。

表2 4 mm厚試驗(yàn)板材室溫拉伸力學(xué)性能

圖3為4 mm厚試驗(yàn)板材室溫拉伸斷口形貌。從圖3可以看出，1#、2#、3#、4#板材室溫拉伸試樣的斷口形貌為一系列小裂面(每個(gè)晶粒的解理面)所構(gòu)成，基本屬于解理型斷裂，此時(shí)板材延伸率偏低；而5#、6#板材的室溫拉伸斷口形貌發(fā)生了變化，其明顯差異是出現(xiàn)更多更薄的撕裂嶺，而且存在少許韌窩，因此其拉伸結(jié)果表現(xiàn)為具有一定的塑性變形，延伸率增加。

圖3 4 mm厚試驗(yàn)板材室溫拉伸斷口形貌

3.3 高溫拉伸性能研究

圖4為4 mm厚試驗(yàn)板材去應(yīng)力退火后800 ℃高溫拉伸性能檢測結(jié)果。從圖4可以看出，試驗(yàn)板材800 ℃抗拉強(qiáng)度在680～740 MPa之間，屈服強(qiáng)度610～660 MPa之間，延伸率在5.9%～8.3% 之間。其中1#板材高溫抗拉強(qiáng)度為684 MPa，屈服強(qiáng)度均在613 MPa，延伸率為5.9%；2#、4#板材高溫力學(xué)性能相對于1#略有提高，2#、4#板材的高溫抗拉強(qiáng)度分別為694 MPa、688 MPa，屈服強(qiáng)度分別為625 MPa、623 MPa，延伸率分別為5.0%、6.6%；5#板材高溫力學(xué)性能相對于1#變化明顯；其中5#高溫抗拉強(qiáng)度為703 MPa，屈服強(qiáng)度均在634 MPa，延伸率為7.2%；3#、6#板材高溫力學(xué)性能相對于1#提高最為明顯，3#、6#板材的高溫抗拉強(qiáng)度分別為736 MPa、732 MPa，屈服強(qiáng)度分別為643 MPa、656 MPa，延伸率分別為6.8%、8.3%。

圖4 4 mm厚試驗(yàn)板材高溫拉伸力學(xué)性能

圖5為4 mm厚板材高溫拉伸斷口形貌。高溫拉伸后試驗(yàn)材料的斷口均出現(xiàn)大小不一的韌窩。一般地，材料塑性越好，韌窩越大。從圖5可以看出，6組材料經(jīng)800 ℃高溫拉伸后，其斷口形貌呈現(xiàn)為多個(gè)韌窩狀，而且，相較于1#、2#、3#、4#材料，5#、6#材料的韌窩稍有增大，這主要是因?yàn)?#、6#板材具有優(yōu)于1#、2#、3#、4#材料的塑性。

圖5 4mm厚板材高溫拉伸斷口形貌

3.4 抗彎性能研究

圖6為4 mm厚試驗(yàn)板材室溫抗彎性能柱狀圖。

圖6 試驗(yàn)板材室溫抗彎性能檢測結(jié)果

從圖6可以看出，試驗(yàn)板材室溫抗彎強(qiáng)度在1 470～1 700 MPa之間。其中1#板材室溫抗拉強(qiáng)度為1 523 MPa；2#板材室溫抗彎性能相對于1#略有提高，其值為1 532 MPa；3#材料板材室溫抗彎性能相對于1#提高明顯，其值為1 560 MPa；4#、5#板材室溫抗彎性能相對于1#未見明顯變化，甚至略有下降，4#、5#板材室溫抗彎性能分別為1 518 MPa、1 528 MPa；6#板材室溫抗彎性能相對于1#提高最為明顯，其值達(dá)到1 692 MPa。

4 結(jié) 論

(1)試驗(yàn)材料燒結(jié)態(tài)晶粒尺寸為5～20 μm，而且隨著Zr含量的增加，組織越來越細(xì)小，硬度越來越大；

(2)試驗(yàn)板材的室溫抗拉強(qiáng)度均在900 MPa以上，屈服強(qiáng)度均在800 MPa以上，Zr含量為1.8%時(shí)，材料的室溫強(qiáng)度與塑性均達(dá)到最佳；

(3)試驗(yàn)板材800 ℃抗拉強(qiáng)度在680～740 MPa之間，屈服強(qiáng)度610～660 MPa之間，Zr含量為0.8%或者1.8%時(shí)，材料的強(qiáng)度與塑性達(dá)到最佳；

(4)試驗(yàn)板材室溫抗彎曲強(qiáng)度在1 470～1 700 MPa之間，Zr含量為0.8%時(shí)，室溫抗彎性能提高明顯；Zr含量為1.8%時(shí)，材料的抗彎性能最佳。