钛铝金属间化合物晶团与片层尺寸效应研究进展
来源期刊：稀有金属2016年第4期
论文作者：程祥霞 曲寿江 冯艾寒 沈军
文章页码：393 - 402
关键词：钛铝;全片层;尺寸效应;片层间距;
摘 要：综述了钛铝金属间化合物晶团与片层尺寸效应研究进展,包括片层形成机制、晶团与片层尺寸控制方法,以及晶团尺寸、片层间距与力学性能之间的尺寸效应。研究结果表明,片层组织形成机制主要基于位错形核、剪切机制和原子偏析。单个γ相板条形成后,在母相中通过Shockley不全位错滑移及原子扩散生成不同取向的变体;晶团尺寸及片层间距,通过添加合金元素、相变/再结晶、热机械加工、粉末冶金等方式得到细化;晶团尺寸与硬度、强度符合经典的Hall-Petch关系,随晶团尺寸增加,屈服强度及硬度减小;晶团尺寸对断裂韧性影响复杂。片层间距与硬度、强度及断裂韧性也符合经典的Hall-Petch关系。高温蠕变最小应变速率及辐射后空洞密度随片层尺寸增大线性增大。
稀有金属 2016,40(04),393-402 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2016.04.015
程祥霞 曲寿江 冯艾寒 沈军
同济大学材料科学与工程学院
综述了钛铝金属间化合物晶团与片层尺寸效应研究进展,包括片层形成机制、晶团与片层尺寸控制方法,以及晶团尺寸、片层间距与力学性能之间的尺寸效应。研究结果表明,片层组织形成机制主要基于位错形核、剪切机制和原子偏析。单个γ相板条形成后,在母相中通过Shockley不全位错滑移及原子扩散生成不同取向的变体;晶团尺寸及片层间距,通过添加合金元素、相变/再结晶、热机械加工、粉末冶金等方式得到细化;晶团尺寸与硬度、强度符合经典的Hall-Petch关系,随晶团尺寸增加,屈服强度及硬度减小;晶团尺寸对断裂韧性影响复杂。片层间距与硬度、强度及断裂韧性也符合经典的Hall-Petch关系。高温蠕变最小应变速率及辐射后空洞密度随片层尺寸增大线性增大。
中图分类号： TG146.23
作者简介：程祥霞(1990-),女,山东临沂人,硕士,研究方向:TiAl基合金微观组织与力学性能;E-mail:1333621@tongji.edu.cn;;曲寿江,副教授;电话:021-39947690;E-mail:qushoujiang@tongji.edu.cn;
收稿日期：2015-12-29
基金：国家自然科学基金青年科学基金项目(51305304);国家自然科学基金联合重点基金(U1302275)资助;国家科技重大专项课题(2013ZX04011061);
Cheng Xiangxia Qu Shoujiang Feng Aihan Shen Jun
School of Material Science and Engineering,Tongji University
Abstract：
This review article summarized recent advances in size effect of lamellar colony and lamellar spacing in intermetallic titanium aluminides,including the formation mechanism of lamellar,methods of size controlling,and the present situation of size effect research. The formation mechanisms of fully lamellar Ti Al alloy were based on dislocation,shear and atomic segregation. γ variants interface formed by Shockley dislocation and atomic segregation after the formation of single γ lath. Phase transformation,recrystallization,even the thermo-mechanical processing and power metallurgy could be used to refine lamellar colony size and lamellar spacing.The hardness,strength,and other mechanical properties varied with the lamellar colony size of fully lamellar titanium aluminides within the scope of a certain size according to the typical Hall-Petch relationships. However,the colony size effect on fracture toughness was not clear. And allmost all of the mechanical properties such as hardness,strength,fracture toughness varied with the lamellar spacing within the scope of a certain size according to the typical Hall-Petch and minimum strain rate after creep at high temperature and cavity density had direct proportion relationships with lamellar spacing.
Keyword：
titanium aluminides; fully lamellar; size effect; lamellar spacing;
Received： 2015-12-29
Ti Al基金属间化合物作为一种轻质高温结构材料,具有较高的比强度、较低的密度和优良的高温抗氧化性能和力学性能[1,2],在汽车发动机、飞机发动机涡轮叶片等部件中得到了实际应用,例如,阿西布朗勃法瑞( ABB) 公司将Ti-47Al-2W-0. 5Si ( % ,原子分数,下同) 合金应用在汽车发动机部件中; 美国通用( GE) 公司将4822 ( Ti-48Al-2Cr-2Nb) 合金应用在GEnx发动机第6,7 两级低压涡轮叶片中; Rolls-Royce也成功将Ti-47Al-3. 7( Nb,Cr,Mn,Si) -0. 5B合金应用在发动机高压压气机叶片中[3,4,5,6]。然而,Ti Al基合金室温塑性差、断裂韧性低,难以采用常规工艺加工,成为其普遍应用的瓶颈[7]。Wang,Pogrebnjak等[8,9,10]通过Ti Al基合金成分及组织结构等优化方案,改善了Ti Al基合金的力学性能及热加工性能。Kim等[11,12,13,14]研究发现,与等轴的 γ 组织或者双态组织相比,具有细小全片层组织的Ti Al基合金,具有优良的高温强度、高温抗蠕变性能和断裂韧性。近年来,Ti Al基合金片层组织尺寸效应引起学者们的重视,尤其是 β 凝固 γ-Ti Al,此类合金含有 β 相稳定元素,固液转变时经过 β 相单相区且形成的初始晶相是β 相。Kim等[15,16,17,18,19]提出,新型全片层 β-γ-Ti Al合金具有优异的综合性能。
图1 为片层晶团结构及片层形成过程[20,21]。晶粒或晶团( 即同一晶粒内具相同取向结构片层的单元称为晶团[22]) 尺寸及片层间距如图1 ( a) 所示,d为晶团直径,λ 为片层间距。其中,晶团尺寸可通过金相晶粒统计软件及割线法计算得到,片层间距在TEM中测量相界间尺寸并取平均值得到[23],然而,由于纳米片层尺寸较小,且相界本身存在一定位错错配距离,很难定义其具体尺寸[21]。
鉴于以上分析,本文综述了Ti Al基合金晶团及片层尺寸效应的研究进展,包括Ti Al基合金片层形成机制、尺寸控制方法、晶粒( 或晶团) 与片层尺寸效应研究现状及趋势。
1 全片层组织形成机理
Appel等[11]将Ti-( 39-50) Al合金在略高于 α 相转变温度( Tα) 的温度热处理,炉冷后得到全片层或近片层组织。根据Schuster和Plam[24]经典的Ti Al合金二元相图,凝固过程中,当温度穿过单相α 固溶体区降到Tα以下时,随冷却速率不同,会发生两种不同的相变,当冷却速率较低时( 例如,炉冷) 会有大量的 γ 层片相从 α 相中析出,最终形成 α2+ γ 层片组织,也有 γ / γ 片层; 当冷却速率很高时( 例如,水冷) ,α 相直接有序化生成 α2相,随后在 α2相析出 γ 片层相。以上转变分别表示为:α→α + γ→α2+ γ 和 α→α2→α2+ γ[25]。上述两个反应的形核和生长机制相同,与基体有序无序特征无关[26]。片层主要通过位错形核、原子偏析形核及剪切变形等方式形成[27,28,29]。
图1 晶团结构及片层形成过程Fig. 1 Lamellar structure and formation process
(a)TEM image of microstructural features within a lamellar colony of Ti Al alloy;(b~e)Dislocation reaction in transition ofα2→γ
1. 1 位错形核机制
Gupta等[1,15,27]认为,γ 层片是通过Shockley不全位错从 α 相中形成,晶格结构发生变化的同时伴随原子扩散,并实现了 γ 相的面心立方有序转变[25]。片层形成主要基于 γ 相从 α 或 α2相析出的过程,根据Blackburn关系式,α /α2相和 γ 相有如下晶体学位相关系[25,30,31]: ( 0001)α2‖( 111)γ和< 1120 >α2‖ < 110 >γ,α2相中可以产生6 个不同的 γ 变体,可理解为绕[111]方向分别旋转60°形成[32]。图1( b,d)[21]为 γ 相( IM) 及与其具有真孪晶关系的 γ 变体( IT) 从 α2母相析出的位错反应[21]。α2相中位错主要以1 /3 < 1120 > { 1010} 系萌生,而 γ 相中位错主要以1 /2 < 110 > { 111} 滑移系为主[33],析出的 γ 相伯格斯矢量1 /2[110]与 α2相的主滑移方向1 /3[112 0]平行[21]。图1 ( c,e)[21]为通过激活1 /2[110]γ位错产生 γ 相的途径。无论1 /2[110]γ位错的滑移面与 α2相中主滑移面连续( 图1( c) ) ,或不连续( 图1( e) ) 都可产生 γ 相。单个 γ 相板条形成后,在母相中通过Shockley不全位错滑移生成不同取向的变体。γ 片层有序形核也发生在亚稳的 γ 相中,产生具有规律方向差的 γ 变体,此现象基于 γ 相有序四方的晶体结构特征产生[34,35]。因此,在Ti Al基合金层片组织中,除了 α2/ γ 界面外,还有不同取向的 γ /γ 界面。Prasad和Chaturvedi[36]研究发现,片层的纵向生长跟横向生长遵循“阶梯-平台-扭结”机制,即一种伴随片层形成过程,原子随之转换的机制。
片层组织的形成除 α 相在 γ 相内或相界形核外,Sun[37]认为相变通过剪切变形完成。外力作用下,晶体结构为密排六方的 α2相,晶体基面产生一定的应变,在Shockley位错滑移消除应变的同时,α2相转变为立方结构[28]。由于原子半径不同,晶格常数a≠c,得到四方结构的 γ 相。目前,还没有完善的形成机制针对层片状显微组织作出公认的解释[38]。
1. 2 原子偏析形核
Zhang等[29]研究了Ti-48Al-2Cr-2Nb合金中 γ/γ 片层形成机制,提出在两个 γ 片层间产生一个过渡区,通过原子偏析形成 γ/γ 片层。图2 为 γ 相从α 相中形核并生长及最终 γ / γ 片层形成的过程。当从 α 单相区降温,γ 相片层在晶粒边界处形核并生长,发生 α→γ 的转变,如图2( a) 。由于 α 相中Ti含量较 γ 相多,Al含量较 γ 相少,在 γ 相片层形成过程中Ti原子在 α 相中部发生偏析,即 γ 相( M1,M2) 中的Al原子过剩在 γ 相片层中部沉积( 图2( b) ) 。图2( c)[29]中随着 γ 相的继续长大,最终Ti含量较多的 α 相与Al含量较多的 γ 相接触,片层生长过程结束。γ 相生长过程中过量的Ti原子积聚在 γ 相界形成一个转变过渡区。由于M1,M2 中Al含量较多,具有较高的平面断层能量,阻碍孪晶形核。而在Ti偏析的T1,T3 界面断层能量较低,孪晶开始形核( 图2( d) ) 。形核后,两个孪晶分别朝Ti偏析量大的方向生长,当孪晶边界偏析的Ti消耗完时,孪晶结束生长,最终两个孪晶被 γ 片层分离,如图2( e)[29]。
图2( f,g) 为以上理论的实验依据,图2( f) 为转变区的透射电镜高分辨图( HRTEM) ,图2( g) 为图2( f) 傅里叶转换( FFT) 的斑点。通过超点阵衍射斑及晶体结构分析,确定转变区M1,M2 及中间相T1,T2,T3 为互为真孪晶关系的 γ 片层[29]。Zghal等[39]曾报道 γ/γ 片层是在 γ 片层形成后,通过均质形核及异质形核反应形成。
2 尺寸控制方法
Ti Al基合金热加工性能和力学性能主要取决于合金的成分、热加工参数,以及微观组织,包括合金相组成和相分数、晶粒/晶团和片层尺寸等。Ti Al基合金组织细化可显著改善合金热加工性能和力学性能,提高合金的利用率,减小高温变形抗力,这对制备大尺寸复杂结构部件具有重要意义[40]。晶粒细化的方法主要有添加合金元素( 例如,Hecht等[41]研究发现低B含量对高铌合金具晶粒细化效果,Y元素及C等元素对合金也具细化作用[42,43]) 、粉末冶金、氢化处理、热处理工艺及热机械加工等。Han等[44]通过引入Ti B2,使Ti-48Al-2Cr-2Nb合金初始晶团尺寸从800 μm的全片层细化至200 μm。Schloffer等[45]通过粉末冶金法得到20 μm以下的超细晶粒。热机械加工( 如等温锻造、动态塑性变形) 及热处理等也都实现了晶粒细化[44,46]。Chen等[47]提出一种通过超声震荡配合高频感应熔融细化Ti-44Al-6Nb-1. 0Cr-2. 0V合金晶粒尺寸的方法,使晶粒尺寸从545 μm细化到96 μm。
图2 γ/α2片层形成过程Fig. 2 Formation process of γ / α2lamellar
(a)γlath nucleating and growing;(b)Al segregating inγlath and Ti segregating inαphase betweenγlaths;(c)Excess Ti fromγlaths expelled on interface;(d)and(e)Twin nucleating and growing;(f)HRTEM graph of transitional region from[110]zone axis;(g)FFT graph of all laths in(f)
全片层Ti Al基合金则主要通过细化晶团及片层尺寸,达到性能优化的目的。块体晶团尺寸主要通过固相转变、再结晶等方法控制[48,49,50]。通过不同的热处理制度( 温度、保温时间、冷却方式、循环热处理以及快速升降温等方法,控制Ti-48Al-2Cr合金等晶粒尺寸[51]) ,实现控制晶团或晶粒尺寸的目的。图3( a,b)[23]为Ti-46. 5Al-2Cr-1. 5Nb-1V合金在1330 ℃ 分别保温4 和5 min炉冷得到的晶团尺寸大小,在相同冷却制度下,温度越高,保温时间越长,晶团长大越快。
图3( c,d) 为空冷( AC) 和炉冷( FC) 得到片层间距尺寸。相同热处理温度及保温时间下,冷却速率越快,片层间距越小[23,52]。除控制冷却制度外,片层间距还可通过添加适量合金元素细化,如N,B等[53]。Guyon等[54]提出一种通过再结晶形核,使Ti-48Al-2Cr-2Nb合金获得纳米片层的方法。将合金气雾化得到的粉末通过热处理获得全片层组织,并使得在纳米片层晶团边界、片层尖端等位置形核,从而达到细化的效果。
图3 Ti-46. 5Al-2Cr-1. 5Nb-1V合金全片层组织晶粒及片层细化机制Fig. 3 Refinement mechanism of grain and lamellar in Ti-46. 5Al-2Cr-1. 5Nb-1V alloy
(a)Grain size for 4 min;(b)Grain size for 5 min;(c)Lamellar space for AC;(d)Lamellar space for FC
图4 为 γ 相在纳米片层晶团边界形核示意图。因片层尖端,即片层晶团( LC) 边界处存在应力,位错易于形核,见图4( a) ,随位错增殖,在片层处出现共格界面错配及位错再生( 图4( b,c) ) ,片层边界因前面位错运动存在的应变及界面诱导使边界迁移,实现形核生长,最后再结晶晶粒可通过孪晶机制再次细化,如图4( d)[54]。
外力作用下可获得超细形变孪晶,形变孪晶是在位错滑移受阻应力集中处萌生的孪晶,是非弹性高剪切机制下产生的,具有高度共格界面。片层产生变形孪晶所需的应力与晶粒尺寸成反比,当晶粒尺寸在1 μm以下时,形变孪晶难以产生[55]。Rester等[56]通过压缩样品,在 γ 片层内获得超细的多孪晶。
3 Ti Al基合金全片层组织尺寸效应
钢铁中用Hall-Petch经验公式描述晶粒尺寸与性能的关系[57]:
式中 δ0为强度,是与材料性质有关的常数,k为常数,与晶格类型、弹性模量、位错分布及位错钉扎程度有关,d为晶粒( 晶团) 尺寸或者片层间距。
Masumura等[58]概括了较多金属类材料尺寸与性能的Hall-Petch关系,根据平均晶粒尺寸的不同,分为4 类模型,第一类为包括超细纳米晶材料在内,具有较宽尺寸范围合金晶粒的尺寸与性能间Hall-Petch关系( 式( 1) ) 模型,其余3 类是有关超细晶粒、统计晶粒尺寸分布、考虑蠕变机制等方面的尺寸性能关系模型。Ti Al基合金中全片层组织中以晶团尺寸和片层尺寸效应最为常见。
3. 1 晶团尺寸效应
Ti Al基合金晶团尺寸越小,屈服强度越高,符合Hall-Petch关系[23,59]。流变应力及断裂强度与晶粒尺寸也符合式( 1) 关系[60]。Ti Al基合金尺寸的其他研究也符合典型的Hall-Petch关系[37,56,61]。然而,典型的Hall-Petch关系主要用来描述大尺寸多晶材料,近年来,主要针对小尺寸,尤其是纳米尺度的材料,发现小尺寸晶粒与力学性能( 如屈服强度) 的关系,不只与尺寸有关,还受界面错配及位错反应的影响[61,62]。研究者在Ni基薄膜材料中发现尺寸与力学性能间具反Hall-Petch关系[63]。
图4 片层晶团边界 γ 相形核示意图Fig. 4 Sketch of γ nucleation and growth at a LC boundary
(a)Initial dislocations at lamella tip;(b)Dislocation reorganization and creation of a slightly misoriented nucleus;(c)Growth of nucleus inside adjacent LC by strain induced grain boundary migration;(d)Growth of recrystallized grains by twinning
图5 为Ti Al基合金晶粒或晶团尺寸效应[47,64,65]。图5 ( a)[47]为Ti-44Al-6Nb-1. 0Cr-2. 0合金晶粒尺寸与屈服强度的关系,变化趋势符合Hall-Petch关系,斜率因材料的强度硬度对尺寸的依赖程度有所变化。Mercer和Soboyejo[59]研究发现,晶粒或晶团尺寸与断裂韧性间具有Hall-Petch关系。然而,Kim等[14,23,66]研究了全片层Ti Al基合金中晶团尺寸及片层间距与断裂韧性间的关系,发现Ti Al合金本征断裂韧性与晶团尺寸关系较复杂。图5( b) 为Ti Al基全片层尺寸与塑性及断裂韧性( KIC及Kmax) 关系[64],晶粒尺寸在小于500 μm时,断裂韧性随尺寸增大而增大,大于500 μm尺寸影响不再明显,然而,塑性与尺寸的关系与断裂韧性不同,随片层晶粒尺寸增大,韧性降低[47,64]。表1[23,65,66]给出了Ti Al基合金晶团尺寸、片层间距与断裂韧性的关系,与图5( b) 中结果相符。晶团尺寸对拉伸性能的影响结果如图5 ( c,d)[65],研究结果表明,Ti Al基合金晶团尺寸与抗拉强度、屈服强度之间符合Hall-Petch关系。
3. 2 片层组织尺寸效应
Ti Al基合金片层间距尺寸效应的研究,主要集中在全片层组织中的 γ/α2片层平均间距、变形孪晶尺寸[15]、多孪晶片层间距[67]等与性能的关系。其中,针对全片层或者含片层组织,平均片层尺寸与强度、硬度、断裂韧性及其他力学性能的关系符合Hall-Petch关系[65]。Dong等[68]发现片层间距与纳米硬度存在线性关系,片层间距越大,硬度越小。Ti Al基合金块体相及晶团内片层纳米硬度的研究也相继开展[45]。Zhu等[20]对Ti Al基合金全片层组织高温蠕变及辐射测试中尺寸效应进行了研究,参见图6[20,21,66,75]。图6( a) 为平均片层间距与蠕变测试的最小应变速率关系,随平均片层间距尺寸的增大,蠕变最小应变速率也线性增大[20]。图6( b) 为Ti-48Al合金全片层组织中 α2和γ 相的片层宽度分别与辐射后空洞密度的关系,结果表明,Ti-48Al合金全片层组织经辐射后,在 α2和 γ 片层中,空洞密度随着片层间距的增加都线性增加,且相同尺寸的 α2和 γ 片层中,α2片层中的空洞密度更大[20]。图6( c) 为G8L,G1L合金( 合金成分如表1) 片层间距与断裂韧性( KIC及KS) 关系,符合Hall-Petch关系[66]。图6( d) 给出Ti-39.5Al合金全片层组织中片层间距与屈服强度关系的曲线,其中,曲线1 跟曲线2 为假定初始强度分别为440 和260 MPa时,位错塞积模式下的模拟曲线,与前面晶粒尺寸效应的研究存在相似性,即都存在一个极值,可作为片层间距调控的指导依据[21]。
图5 Ti Al基合金晶粒或晶团尺寸效应Fig. 5 Colony or grain size effect of Ti Al-based alloy
(a)Grain size and yield strength in Ti-44Al-6Nb-1.0Cr-2.0V;(b)Grain size effect of fully lamellar Ti Al based alloy on ductility and fracture toughness(KICand Kmax);(c)Dependence of tensile stress on colony size in Ti-47Al alloy;(d)Relationship of yield stress and colony size in Ti-47Al alloy
表1 Ti Al合金晶团尺寸片层间距及断裂韧性Table 1 Colony size layer spacing and fracture toughness of Ti Al alloy 下载原图
表1 Ti Al合金晶团尺寸片层间距及断裂韧性Table 1 Colony size layer spacing and fracture toughness of Ti Al alloy
图6 Ti Al合金在蠕变及辐射中的片层尺寸效应Fig. 6 Effect of lamellar size on creep and irradiation of lamellar Ti Al alloys
(a)Minimum strain rate;(b)Cavity density;(c)and(d)Lamellar space effect of fully lamellar Ti Al based alloy on fracture toughness and yield stress
Jiang和Zhang[69]研究了Fe,V,W,Cu,Ni等体心立方结构及面心立方结构材料中尺寸与位错产生、滑移的关系,及尺寸对应变速率敏感性的影响,发现在体心立方中,应变速率敏感性随晶粒尺寸增加而增加,而在面心立方中结果却相反。对全片层Ti Al基合金而言,用两相的平均间距作为片层间距,然而,由于片层是由成分结构均不同的γ / α2两相共同组成,片层尺寸与性能的关系不应一概而论,还需分别就 γ 片层及 α2片层分开讨论。因此,相种类及相分数对尺寸性能关系影响较大,不同成分及结构的材料尺寸效应还需因材料而定。
4 结束语
综述了Ti Al基合金晶团与片层尺寸效应的研究进展,研究结果表明,片层组织主要通过位错形核、剪切机制和原子偏析等机制形成,晶团尺寸及片层间距可以通过相变、再结晶等方式细化。晶团尺寸与硬度、强度等性能符合经典的Hall-Petch关系,随晶团尺寸增加,屈服强度及硬度减小; 晶团尺寸对断裂韧性影响复杂。片层间距与硬度、强度及断裂韧性等性能都符合经典的Hall-Petch关系。最小应变速率及辐射空洞密度随片层尺寸增大线性增大。
全片层Ti Al基合金尺寸效应的研究仍存在如下问题: ( 1) 片层组织中,γ 相片层及 α2相片层尺寸对屈服强度、硬度等力学性能的影响还需细致研究; ( 2) 尺寸效应的研究中,有关纳米片层尺寸与力学性能的反Hall-Petch关系的报道有限;( 3) 片层尺寸与晶团尺寸对材料力学性能的共同影响的研究较为匮乏。
参考文献
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