文章编号：1004-0609(2013)S1-s0771-05

Al和B含量对高温TiAl合金室温力学性能的影响

张志勇，马 睿，徐向俊，张来启，林均品

(北京科技大学 新金属材料国家重点实验室，北京 100083)

摘  要：采用磁感应悬浮熔炼法制备3个含有高含量合金元素(7Nb-2.5V-1.0Cr)的TiAl合金铸锭，Al和B的含量分别为46Al-0B、48Al-0B、46Al-0.7B。采用光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)观察了3种合金的铸态显微组织，采用电子拉伸材料试验机测试了合金室温力学性能并观察了断口形貌。结果表明：高含量合金元素的添加使发生包晶转变的临界Al含量增加到47%(摩尔分数)左右，发生包晶转变的48Al-0B合金组织较为粗大(大于  1 000 μm)，Al含量的降低使铸态组织细化；3种合金中46Al-0B合金具有最优异的室温力学性能，抗拉强度640 MPa、屈服强度590 MPa、塑性伸长率0.42%；46Al-0.7B合金由于B的添加恶化了室温力学性能，抗拉强度375 MPa，且几乎为零塑性断裂，硼化物主要以弯曲带状大量分布在片层团界面和内部。

关键词：高温TiAl合金；显微组织； 室温力学性能； 断口形貌；硼化物

中图分类号：TG148　　     文献标志码：A

Effects of Al and B contents on RT-mechanical properties of cast high temperature TiAl alloys

ZHANG Zhi-yong, MA Rui, XU Xiang-jun, ZHANG Lai-qi, LIN Jun-pin

(State Key Laboratory of Advanced Metals and Materials, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Abstract: TiAl Ingots containing high contents of alloy elements(7Nb-2.5V-1.0Cr) were prepared by magnetic levitation melting method, the Al and B contents were 46Al-0B, 48Al-0B, 46A-0.7B respectively (mole fraction, hereafter). The as-cast microstructures were examined by optical microscopy(OM) and scanning electron microscopy (SEM). Room- temperature mechanical properties were tested by electronic tensile testing machine, and fracture morphologies were studied by SEM. The results show that the critical aluminum content in which peritectic reaction happened increases to approximately 47% (mole fraction). Coarse grain size above 1 000 μm is obtained in petitectic alloy 48Al-0B, refined microstructure can be obtained by decreasing Al content. Room temperature tensile tests prove that alloy 46Al-0B has the best mechanical property. Tensile strength, yield strength, ductil elongation are 640 MPa, 590 MPa, 0.42%, respectively; Alloy 46Al-0.7B is refined dramatically by boron addition, but mechanical properties deteriorate, the tensile strength is 374 MPa, and nearly crack without ductil deformation. Borides distribute in or along the lamellar colonies with curved ribbon morphology.

Key words: high-temperature TiAl alloys; microstructure; RT mechanical properties; fracture morphologies; boride

TiAl基金属间化合物合金由于轻质，优异的高温强度和抗氧化性，使其在航空航天发动机等领域有着广阔的应用前景，有望在700~900 ℃之间部分替代镍基高温合金，提高发动机推重比。但是由于TiAl基合金较低的室温塑性和断裂韧性，限制了其进一步应用^[1-3]。近些年来在传统TiAl合金的基础上，通过添加高含量第三组元Nb、W、Mn、Mo、V、Cr等元素显著地提高了高温强度而且提高了其高温抗氧化性，尤其是高含量Nb的添加。研究表明Nb的添加扩大了TiAl二元相图的高温β相区并向高Al含量延伸。因此大量第三组元元素也势必会影响合金的凝固路径，根据TiAl二元相图^[4]，Al含量在40%~50%(摩尔分数)范围内高温时会产生两种凝固路径，低于44.9%合金凝固时完全经过β单相区，而高于44.9%发生L+β→α的包晶转变，β相凝固合金不仅减轻了因包晶转变产生的枝晶偏析，而且易于形成多种符合Burges 取向关系α变体细化晶粒^[5]，本文作者通过Al含量的变化研究了Al含量对高温TiAl合金铸态组织及室温力学性能的影响，推测了高含量第三组元添加下，合金凝固中发生包晶转变的临界Al含量。并且添加了有利于细化晶粒的B元素研究了硼化物的析出对室温塑性的影响，本文合金铸锭的制备均采用高洁净度的磁悬浮熔炼方法，经前期工作表明铸锭组织均匀，未发现氧化物夹杂和未熔物料，氧的质量分数低于7×10^-4。

1  实验

使用ZG-2XF磁感应悬浮熔炼炉熔炼了名义成分(摩尔分数)为Ti-48Al-7Nb-2.5V-1.0Cr(48Al-0B)、Ti-46Al-7Nb-2.5V-1.0Cr(46Al-0B)、Ti-46Al-7Nb-2.5V- 1.0Cr-0.7B (46Al-0.7B)3种成分的合金铸锭，原料采用零级海绵钛、高纯铝块(99.99%)、AlNb74中间合金、电解V(99.92%)、AlCr20、AlTiB合金，配料质量2 kg。合金经过翻转后熔炼两次浇注于高纯石墨锭模中，分别从铸锭轴心上中下部取10 mm×10 mm×10 mm样品进行EDS成分检测和组织观察，腐蚀液(体积分数)使用5%HF+10%HNO₃+85%H₂O的Kroll试剂。铸锭下部切取板状拉伸试样，试样尺寸如图1所示，室温拉伸应变速率为5.0×10^-4 s^-1。微观组织观察使用ZEISS Axioimager 光学显微镜，SUPRA55场发射扫描电子显微镜。TTRⅢ多功能X射线衍射仪分析了合金的相组成，2θ角测量范围20°~100°。Instron 电子拉伸材料试验机测试了室温力学性能，并且观察了室温拉伸的断口形貌。

图1  室温拉伸试样尺寸

Fig.1  Dimensions of RT-tensile test specimen (unit: mm)

2  实验结果及讨论

2.1  Al含量与铸态组织

经EDS分析的铸锭平均成分如表1所列，三种成分的TiAl合金光镜下呈均匀的等轴晶组织(图2)，晶粒尺寸随着Al含量的降低明显减小。SEM背散射模式下48Al和46Al合金组织为γ+α₂片层团和分布在片层界面的B2相，界面处的B2相呈不规则形状(图2(d))，片层团内部B2相呈带状分布，无论界面处还是内部的B2相附近均存在等轴状的γ相，组织均为近片层组织，随着Al含量的降低平均片层团尺寸由312 μm降为169 μm。添加0.7%(摩尔分数)的B后平均片层团尺寸为48 μm，呈白色衬度的B2相主要分布在片层团界面，与未添加B的合金相比片层团内部带状的B2相偏析明显减少。B2相附近的线成分分布显示其富含Ti、Nb、V、Cr而贫Al，V和Cr的成分起伏相比Nb更大。X射线衍射证明了铸态组织均为γ+α₂+B2三相组成，48Al-0B，46Al-0B，46Al-0.7B的B2相体积分数分别为5.65%，7.40%和6.44%。

48Al-0B合金虽然在锭身为等轴晶组织，但在冒口处却生长出了发达的柱状晶，说明该合金在凝固过程中发生了L+β→α相的包晶转变，由于冒口处较低的冷却速率且在铸锭中最后凝固，因此包晶α相生长速率大于形核速率从而形成柱状晶，而锭身部位受模具激冷的作用，包晶α相形核速率增大而生长速率减小，从而形成了等轴晶组织。相比之下46Al-0B合金无论是冒口还是锭身均为等轴晶组织，而且晶粒尺寸明显变小，因此推测发生了完全的β相凝固，由于β相的易生长方向为<100>方向，其3个等同的生长方向使得晶粒尺寸相比包晶凝固更细小。同时，随着合金Al含量的降低，枝晶间的S偏析也有所减轻(图2(d),(e))，因此可以推断本文中7Nb-2.5V-1.0Cr的合金组合使凝固中发生包晶转变的临界Al含量在47%左右，根据β相稳定性作用的不同，将各元素均以Nb当量(Nb_eq)表示，Nb=Cr/3=V/2，因此本文7Nb-2.5V-1.0Cr合金组合的β相稳定作用相当于15Nb的添加，根据含Nb的TiAl准二元相图，8Nb的添加扩大了高温β相区，使发生包晶转变的临界Al含量由44.9%扩展至46.5%，通过本实验中大铸锭凝固组织的分析，也得出了相同的结论。

表1  合金的实际成分

Table 1  Actual composition of alloys

图2  TiAl合金的铸态组织

Fig.2 Microstructures of as-cast TiAl alloys

2.2  硼化物的形貌和分布

0.7%B合金化后硼化物以白色衬度的弯曲带状析出，厚度约0.3 μm，观察到最长尺寸约70 μm，内部存在多层亚结构(图3(b)，同时存在少量的针状硼化物，片层团尺寸均匀细小。其分布没有明显的规律性，片层团界面及内部均有存在。HYMAN等^[6-7]的研究表明硼化物的析出类型与Al含量相关，在Al含量大于44%时硼化物以C32结构的TiB₂相析出。而析出形貌与B含量有关，随着B含量的增加TiB₂相的析出形貌依次为弯曲带状，板状和针状，在B含量大于1%后TiB₂相以等轴颗粒状析出^[6-7]，本实验中弯曲带状及少量针状的硼化物析出与其研究规律一致。一般认为弯曲带状为次生硼化物，在液相中形成初生基体相后，通过L→M+TiB₂的共晶反应生成并与M耦合生长，M代表β, α或γ相。在基体界面形核的情况下由于受基体生长的限制从而呈现弯曲带状，在基体内部形核并与基体耦合生长硼化物呈针状。因此，在凝固过程以及随后的固态相变中，TiB₂相既可以为新相提供形核的异质核心，也可以阻止新相的过分长大，从而使铸态组织得以显著细化。

图3  硼化物的形貌及分布

Fig.3 Morphology and distribution of borides

2.3  室温力学性能及断口

室温拉伸的应力—应变曲线如图4所示。由图4可见：48Al-0B合金的塑性伸长率与46Al-0B合金的相当，分别为0.4%和0.42%。 但46Al断裂强度和屈服强度都高于48Al，分别为640 MPa和590 MPa。B合金化后性能明显恶化，断裂强度375 MPa，塑性接近于0。通过断口可以观察到，不含B合金的断裂模式均为穿片层团解理断裂，而含B合金断口为穿片层团与沿片层团的混合断口形貌，并且在硼化物附近观察到了二次裂纹(图5(c))。因此可以推断含B合金较差的室温力学性能一是由于室温下脆性的B2相主要分布在片层团界面处，二是由于过度长大的硼化物与基体变形产生不协调。而46Al-0B合金较高的室温力学性能主要是由于避免了包晶凝固产生的粗大组织，而且在随后的固态相变中产生了符合Burges取向关系的较多α相变体细化了组织，片层团取向呈现多样化^[8-13]。因此，无论断裂强度还是塑性都比其他两种合金的高。

图4  室温拉伸应力—应变曲线

Fig.4  Tensile strain—stress curves at room temperature

图5  合金室温断口形貌

Fig.5  Fracture morphologies of alloys at room temperature

3  结论

1)  7Nb-2.5V-1.0Cr的合金组合使TiAl合金发生包晶转变的临界Al含量提高到了约47%。

2) 46Al-0B合金获得较高的室温力学性能主要是因为凝固过程中避免了包晶反应，由相对细小的铸态组织引起的细晶强化。

3)  B的添加虽然可以显著细化TiAl合金铸态组织，但过度长大的带状硼化物与基体变形不协调，恶化了室温的力学性能。

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(编辑 杨幼平)

基金项目：国家重点基础研究发展规划(“973”计划)项目(2011CB605501)； 国家自然科学基金资助项目(51171015)

收稿日期：2013-07-28；修订日期：2013-10-10

通信作者：林均品，教授，博士；电话：010-82375390；E-mail: linjunpin@ustb.edu.cn