熱處理工藝對Nb-Ti-Al基低密度鈮合金力學(xué)性能及組織形貌的影響

李福成

（1.國家鉭鈮特種金屬材料工程技術(shù)研究中心，寧夏 石嘴山 753000；2.西北稀有金屬材料研究院稀有金屬特種材料國家重點實驗室，寧夏 石嘴山 753000；3.中色（寧夏）東方集團有限公司寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000）

0 引言

鈮的熔點為2 468 ℃，密度為8.57 g/cm3，莫氏硬度為6，其密度比其它難熔金屬低，且室溫下在空氣中穩(wěn)定，不與其它物質(zhì)反應(yīng)，也不與HCl、HNO3、H2SO4、H3PO4等無機酸反應(yīng)。鈮和其它金屬元素制備的低密度鈮合金材料，具有低密度、高比強度、高韌性、耐磨性、適中的彈性模量等力學(xué)性能和耐化學(xué)腐蝕性，在化工、紡織、醫(yī)療、超導(dǎo)體、鋼鐵生產(chǎn)、電瓷、錢幣、國防和軍等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，特別是高溫高強合金材料在熱防護和結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用中已成為不可替代的一種合金材料[1-4]。作為一種稀有金屬材料，高純鈮的延展性較高、硬度低，但會隨著所含化學(xué)雜質(zhì)含量的增加硬度增加，鈮可以同許多非金屬元素形成NbC、NbN、NbCl5、NbF7、Nb2O5等鈮化物，也可以同許多金屬元素（鐵、鎳、鉻、鉬、鉛、鎢、鈦、鉿、鉭、銥等）形成Nb-Ta、Nb-Ti-Al、Nb-Ti-Cr、Nb-Ti-W等二元或多元組相的高溫鈮合金[5-7]。

鈮合金研制和應(yīng)用方面，國外發(fā)展相對較快，美國、俄羅斯已研制出Nb-45Ti-5Hf-5V-5Zr-0.1C、Nb-38Ti-5Hf-5V-5Cr-2Sn-0.1C等多元合金[8-10]，這些合金被廣泛應(yīng)用于火箭和飛船的發(fā)動機中。而我國中南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北有色金屬研究院等單位也成功研制出Nb-Ti-Al、Nb-Ti-Cr等合金[11-12]，寧夏東方鉭業(yè)公司從事Nb-Ti-Al基低密度鈮合金的研制已有十多年時間，所生產(chǎn)的鈮合金材料在航空、航天、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、箭船的發(fā)動機制造中發(fā)揮著重要作用，但由于使用條件和工作環(huán)境等因素的特殊要求，需要在這種鈮合金產(chǎn)品表面涂覆一層耐高溫抗氧化涂層，并且鈮合金涂層后要求基材的力學(xué)性能下降不低于10%，但實際試驗中涂層后基材的力學(xué)性能極差，下降近50%，延伸率下降到原來的10%左右，完全脆化，對于基材出現(xiàn)這樣的脆斷機理尚不清楚。本文針對上述技術(shù)問題，將Nb-Ti-Al基低密度鈮合金分別在不同溫度梯度點處進行高溫?zé)崽幚恚υ嚇釉诿總€溫度點處對應(yīng)的力學(xué)性能、顯微組織形貌、晶粒長大機理、組織結(jié)構(gòu)演變過程和能譜（energy dispersive spectrometer，EDS）等進行對比分析，進一步探明鈮合金力學(xué)性能下降和脆斷的原因，為后續(xù)鈮合金材料和高溫抗氧化涂層配方的研制和推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗部分

1.1 試驗原材料與設(shè)備

Nb-Ti-Al基低密度鈮合金基材樣品，涂層試驗料（自制），QC12K-6X2500型剪板機，INSTRON4505型萬能試驗機，F(xiàn)EIQUANTA650型掃描電子顯微鏡，Apreo 2 高分辨場發(fā)射掃描電鏡，MM6金相顯微鏡，L1311-3型臥式真空燒結(jié)爐，JY170 ULTRACE型電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀。

1.2 樣品制備及性能測試

Nb-Ti-Al基低密度鈮合金板材樣品的生產(chǎn)過程：用電弧爐熔煉成鈮錠材，再經(jīng)過擠壓、高溫鍛造、軋制等工藝流程制成1 mm厚的冷軋板材，對鈮合金化學(xué)成分也進行了分析，再用QC12K-6X2500型剪板機線切割方法，切成10個105 mm×10.5 mm×1.0 mm的試樣條，每2個試樣條為1組，共分成5個試驗樣品小組，切取的每個試樣的具體尺寸和圖形如圖1和圖2所示，圖中尺寸單位為mm。

圖1 Nb-Ti-Al基低密度鈮合金拉伸試樣形狀及尺寸Fig.1 Shape and size of Nb-Ti-Al-based low-density niobium alloy of tensile specimens

圖2 Nb-Ti-Al基低密度鈮合金拉伸試樣圖Fig.2 Tensile specimen chart of Nb-Ti-Al-based low-density niobium alloys

采用500～800目砂紙對制備好的合金試樣彎部打磨過渡圓滑處，并用高效除油劑超聲波和純水超聲波清洗，制成Nb-Ti-Al基低密度鈮合金試樣。將制備好的鈮合金試樣置于真空度為5.0×10-3Pa的L1311-3型臥式真空燒結(jié)爐內(nèi)，分別在900,1 000, 1 100, 1 200, 1 350 ℃條件下熱處理30 min后冷卻，最后依據(jù)GB/T228.1—2010標(biāo)準(zhǔn)，利用INSTRON4505型萬能試驗機進行室溫力學(xué)性能拉伸試驗檢測，并用FEIQUANTA650型掃描電子顯微鏡觀察試樣拉伸后斷口處的形貌結(jié)構(gòu)，用MM6金相顯微鏡觀察熱處理后的試樣金相組織，并進行分析。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 拉伸試樣的力學(xué)性能

Nb-Ti-Al基低密度鈮合金同其它合金材料具有相似的共性，一般隨著熱處理溫度升高，結(jié)晶化程度和晶粒度都會增大[12]，但是合金的晶粒度增大到一定程度，大于G=3.0時，基材的力學(xué)性能（бb、б0.2、延伸率）都會大幅度下降，鈮合金在不同熱處理溫度下的室溫力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 Nb-Ti-Al基低密度鈮合金在不同溫度下的室溫力學(xué)性能數(shù)據(jù)Fig.1 Room temperature mechanical properties of Nb-Ti-Albased low-density niobium alloys at different temperatures

從表1中可以看出，鈮合金在25℃的抗拉強度為1 017.6 MPa，屈服強度為1 006.3 MPa，延伸率為32.3%；在900℃熱處理后的抗拉強度為949 MPa，屈服強度為947 MPa，伸長率為31.0%；在1 000℃熱處理后的抗拉強度為920 MPa，屈服強度為916 MPa，伸長率為30.5%。對于1 000℃，相對25℃時，抗拉強度是90.41%，下降9.59%；屈服強度是91.03%，下降8.97%，伸長率是94.43%。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，在這兩個溫度點的各項力學(xué)性能下降率都沒有超過10%，基本控制在90%以上，而在1 100℃熱處理后的抗拉強度為902 MPa，在1 200℃以上屈服強度和伸長率沒有測出試樣就斷裂，抗拉強度數(shù)值下降率超過了10%，特別是1 350℃下最為嚴(yán)重。圖3為不同熱處理溫度下的晶粒度數(shù)值對比圖。

圖3 不同熱處理溫度下的晶粒度數(shù)值對比圖Fig.3 Grain size value contrast chart at different heat treatment temperatures

從圖3中可以看出，合金的晶粒度隨熱處理溫度的升高而增大，Nb-Ti-Al基低密度鈮合金隨溫度梯度增大，晶粒度不斷增大，表明低密度鈮合金基材會受溫度影響，力學(xué)性能明顯呈直線式下降，同時鈮合金熱處理溫度越高基材也完全表現(xiàn)出脆化趨勢。

2.2 拉伸試樣的金相組織

為了研究不同熱處理溫度對鈮合金基材的室溫力學(xué)性能影響，表征鈮合金在各溫度點處的基材內(nèi)部顯微組織結(jié)構(gòu)變化情況，利用MM6金相顯微鏡對試樣拉伸后的金相組織進行了觀察，所得結(jié)果如圖4所示。從圖4a可以看出，鈮合金試樣沒有經(jīng)過熱處理時晶粒較小，基材中的纖維組織相存在，分布相對比較均勻。圖4b顯示，試樣經(jīng)過900 ℃熱處理后，合金小晶粒開始變大，基材中的纖維組織相改變，金相組織出現(xiàn)不均勻。圖4c顯示，試樣經(jīng)過1 000 ℃熱處理后，基材中的晶粒度變大，每個晶粒度直徑大小不一，晶粒之間出現(xiàn)明顯的晶界。圖4d和4e顯示，試樣經(jīng)過1 200 ℃以上熱處理后，單位面積上的晶粒度變小，晶界數(shù)也變少，出現(xiàn)大晶粒吞并小晶粒，基材中的晶粒度長大得更加明顯，各晶粒直徑差值變大，形成了等軸晶。

圖4 不同熱處理溫度下的基材金相對比圖Fig.4 Metallographic image contrast chart at different heat treatment temperatures

2.3 拉伸試樣斷口形貌

在拉伸試樣金相組織分析的同時，本文用FEIQUANTA650型掃描電子顯微鏡對鈮合金試樣的斷口顯微形貌機理也做了對比觀察分析，SEM照片如圖5所示。

圖5 不同熱處理溫度下的基材斷口形貌對比圖Fig.5 Fracture morphology contrast chart at different heat treatment temperatures

從圖5a和5b中可以看出，拉伸試樣的斷口截面上存在較明顯的韌窩，在900～1 000 ℃溫度下的斷裂伸長率較大，斷口組織是典型的韌窩斷裂（塑性斷裂），表明基材保持較好的韌性和塑性，但脆性較差；圖5c顯示，試樣經(jīng)過1 200 ℃熱處理后，拉伸試樣的斷口截面上存在部分韌窩，出現(xiàn)輕度晶化現(xiàn)象，基材仍然保持一定塑性；圖5d顯示，試樣經(jīng)過1 350 ℃熱處理后，拉伸試樣截面上基本是晶粒，只有個別地方存在少許的韌窩，斷口組織是典型的脆性斷裂（穿晶斷裂），表明基材脆性較好，塑性消失，Nb-Ti-Al基低密度鈮合金在熱處理溫度特別高時，基材的結(jié)晶化程度最大，完全脆化，導(dǎo)致力學(xué)性能下降，這對于鈮合金的工程化應(yīng)用來說是不好的一面。

2.4 試樣涂層前后金相組織

為了進一步驗證鈮合金在高溫下涂層前后的晶化和組織形貌演變機理以及涂層對基材的保護作用大小，將2種鈮合金（未涂層試樣、涂層試樣）分別在1 300 ℃熱處理30 min條件下，鈮合金涂層處理前后力學(xué)性能對比如表2所示，金相組織分析如圖6所示。

表2 1 300 ℃鈮合金涂層熱處理前后力學(xué)性能對比Table.2 Comparison of mechanical properties before and after a niobium alloy coating at 1 300 ℃

圖6 1 300 ℃鈮合金試樣涂層前后的金相對比圖Fig.6 Comparison of metallographic images of niobium alloy samples before and after niobium alloy coating at 1 300 ℃

由表2、圖6可知，鈮合金在涂層前后室溫力學(xué)性能數(shù)值接近，金相結(jié)構(gòu)基本相似，晶粒度評級相同，晶粒度完全增大，都是G=1.0，金相中，大晶粒和小晶粒直徑尺寸相差較大，表明鈮合金在涂覆了一定厚度的涂層，經(jīng)過1 300 ℃/30 min高溫條件熱處理后，并沒有明顯阻礙基材內(nèi)部晶粒度脆性的不斷增大，涂層的保護作用不顯著，研究組認(rèn)為導(dǎo)致Nb-Ti-Al基低密度鈮合金基材塑性和韌性下降、脆性增大的根本原因是熱處理溫度過高所致。

3 結(jié)論

本文通過試驗研究最終得到以下結(jié)論：

1）Nb-Ti-Al基低密度鈮合金基材隨著熱處理溫度的提高，對應(yīng)拉伸試樣的力學(xué)性能（抗拉強度бb、屈服強度б0.2和延伸率）不斷降低，在1 350 ℃時力學(xué)性能下降最為嚴(yán)重；

2）導(dǎo)致Nb-Ti-Al基低密度鈮合金基材力學(xué)性能下降的原因是熱處理溫度過高；

3）鈮合金基材隨著熱處理溫度的提高，等軸晶粒逐漸形成，拉伸試樣的斷口組織由典型的韌窩斷裂（塑性斷裂）轉(zhuǎn)變成脆性斷裂（穿晶斷裂）；

4）Nb-Ti-Al基合金經(jīng)高溫?zé)崽幚砗蟠嗷黠@，需研究完全再結(jié)晶溫度高于Nb-Ti-Al基合金的低密度鈮合金，達到阻礙基材再結(jié)晶晶粒過度長大而導(dǎo)致的力學(xué)性能急劇降低，或者研制相配套低溫熔燒工藝的新涂層配方。