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稀有金属 2016,40(06),540-545 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2016.06.004
Nb含量对铸造高铝TiAl合金室温拉伸性能的影响
李海昭 韩波 胡海涛 张熹雯 朱春雷 张继
钢铁研究总院高温合金新材料北京市重点实验室
昆明理工大学材料科学与工程学院
摘 要:
研究了Nb含量对铸造高铝Ti Al合金(%,原子分数)Ti-48Al-x Nb-2.5V-1.0Cr(x=2,4,7,9),以下分别简称2Nb,4Nb,7Nb和9Nb合金)组织和室温拉伸性能的影响。组织观察发现:不同Nb含量合金宏观组织均为柱状晶组织,微观组织均为有取向层片组织。经X射线衍射(XRD)分析表明,不同Nb含量合金均由γ相、α2相和少量的B2相组成,其中,γ相体积分数随Nb含量的增加而增多;α2相体积分数随Nb含量的增加而减少;B2相含量由于含量较少无法定量,但从XRD谱及扫描电镜(SEM)背散射(BSE)图可定性得知,其含量随Nb含量的增加而显著增多。合金室温抗拉强度随Nb含量的增加而降低:由2Nb合金的648.2 MPa降为9Nb合金的613.8 MPa;但屈服强度却随Nb含量的增加而升高:由2Nb合金的561.1 MPa增为9Nb合金的613.5 MPa。合金室温延伸率随Nb含量的增加呈线性下降:由2Nb合金的延伸率1.2%,降为9Nb合金的0.3%。γ相的晶格常数c/a随Nb含量的增加而增大,这对合金的室温塑性有不利的影响。
关键词:
高铝;TiAl合金;铸造;c/a比;室温拉伸性能;
中图分类号: TG146.23
作者简介:李海昭(1982-),男,河北邯郸人,博士研究生,研究方向:TiAl合金工艺及其组织与力学性能,E-mail:haizhao2008@163.com,;张继,教授,电话:010-62182203,E-mail:zhji61@sina.com;
收稿日期:2014-12-30
基金:国家科技部重点基础研究发展计划(973计划)项目(2011CB605503)资助;
Tensile Properties of High Al Containing Cast TiAl-Based Alloys at Room Temperature with Different Nb Contents
Li Haizhao Han Bo Hu Haitao Zhang Xiwen Zhu Chunlei Zhang Ji
Beijing Key Laboratory of Advanced High Temperature Materials,Central Iron & Steel Research Institute Group
College of Materials Science and Engineering,Kunming University of Science and Technology
Abstract:
The influence of Nb content on macrostructure,microstructure and room temperature tensile properties of high Al containing cast Ti Al-based alloys was investigated with Nb content varying from 2% ~ 9%( atom fraction). The results showed that all the alloys had the macrostructure with columnar crystals and microstructure with lamellar structure. There were three phases γ,α2and B2 in the alloys by X-ray diffraction( XRD) analysis. With Nb content increasing,the volume fraction of γ phases increased but the volume fraction of α2phase decreased; the volume fraction of B2 was too small to quantify,but it increased with Nb content increasing observed from XRD patterns and scanning electron microscopy( SEM) back scattered electron( BSE) images. With the Nb content increasing from 2% to 9%,the tensile strength of the alloys decreased from 648. 2 to 613. 8 MPa,but their yield strength increased from561. 1 to 613. 5 MPa. The ductility of the alloys had a linear decrease from 1. 2% to 0. 3% with Nb content increasing from 2% to 9%.The axial ratio,c/a,of Ti Al phase which increased with the Nb content increasing was detrimental to the room temperature ductility.
Keyword:
high Al containing; TiAl; casting; axial ratio c/a; room temperature tensile properties;
Received: 2014-12-30
高铌TiAl合金因具有较低的密度、较高的高温强度和较好的抗氧化性而备受关注[1,2,3]。目前,高铌TiAl合金主要用热机械变形的方法制得,如高温锻造[4]、挤压[5,6]。由于TiAl合金热加工性能较差,通常引入一定量的高温β相,因此其成分的典型特征为高铌、低铝,而B2相对合金的室温塑性有不利的影响[7];作为TiAl合金工程应用重点考虑的成形工艺[8,9],精密铸造具有近净成形、工艺流程短等特点,且铸造成形不需引入大量β相来增加高温变形能力,因而可采用高Al的成分设计,同时高的铝含量有利于合金的抗氧化性[10]。
研究发现[11],高铝、高铌铸造Ti-48Al-7Nb-2.5V-1.0Cr合金具有较大的高温强度优势;但其室温拉伸塑性均低于0.5%。有研究表明β/B2相对合金的室温塑性均不利[7],可通过降低合金的β相稳定元素Nb的含量,减少B2相含量,以期改善合金的室温塑性。因此,本文在保持合金高铝含量的基础上,研究Nb含量变化对合金Ti-48Al-x Nb-2.5V-1.0Cr(x=2,4,7,9)组织和室温拉伸性能的影响。
1实验
实验用合金成分(%,原子分数)为Ti-48Alx Nb-2.5V-1.0Cr(x=2,4,7,9),以下分别简称2Nb,4Nb,7Nb,9Nb合金。采用水冷铜坩埚真空感应悬浮炉熔炼,两次重熔以确保合金成分的均匀性,然后浇铸成Φ40 mm×130 mm的铸锭。
采用电火花线切割切取,试样经机械研磨、机械抛光、电解抛光,再经组分为1%HF+10%HNO3+89%H2O(体积分数)侵蚀液侵蚀后,采用OLYMPUS GX71光学金相显微镜(OM)观察合金的微观组织,采用JEOL JSM-7800F扫描电镜(SEM)观察铸锭横截面的背散射组织。
物相分析亦采用电火花线切割切取,试样经机械研磨、机械抛光、电解抛光后,采用飞利浦APD-10X射线衍射仪(XRD)进行物相结构分析,衍射条件如下:2θ:20°~95°;步长:0.01°;时间0.4 s;靶型:Cu靶;管压:30 k V,管流:30 mA。
在靠铸锭的边缘、并垂直于试样横截面的区域,采用线切割切取Φ12.5 mm×65 mm的力学性能测试试样的毛坯,采用X光探伤其缺陷情况,然后将无可见缺陷的试棒加工成试样螺纹外径为12mm、试样总长65 mm、标距部分为Ф5 mm×25 mm的标准拉伸试样。按照GB/T228.1-2010标准,在大气环境下测试材料的室温拉伸性能,拉伸速率为5.56×10-4s-1,试验设备为QUASAR10。采用JEOL JSM-6480LV钨灯丝扫描电镜(SEM)下对不同Nb含量合金的断口进行观察。
2结果与讨论
2.1 Nb含量对高Al铸造TiA l合金组织的影响
对合金的宏观组织进行观察发现,其宏观组织均为柱状晶组织,如图1所示。柱状晶宽度变化幅度不大,在198~228μm之间,说明Nb含量的变化对高铝TiA l合金的凝固路径影响不大。
由SEM背散射图像观察可知,不同Nb含量高铝铸造TiA l合金微观组织主要由层片组织和片层间等轴晶组成,且等轴晶的数量随Nb含量的增加而显著增加。根据背散射图像衬度判断并结合后续XRD分析得知,等轴晶分为两种,一种是灰颜色的γ相;另一种是白色的B2相,B2相多成长条、三角状且分布极不均匀,如图2所示。
图1 铸造高铝TiA l合金宏观组织图片Fig.1 OM images of TiA l alloys containing high Al
(a)2Nb;(b)4Nb;(c)7Nb;(d)9Nb
图2 不同Nb含量铸造高铝TiA l合金微观组织的SEM图片Fig.2 SEM images of cast TiA l alloy containing high Al with different Nb contents
(a)2Nb;(b)4Nb;(c)7Nb;(d)9Nb
由XRD分析可知,不同Nb含量合金均由γ,α2和少量B2相组织,如图3所示。因B2相含量较少而无法定量,但从XRD谱及SEM背散射图片可定性得知,B2相随Nb含量的增加而增多,如图2和3所示。另外XRD无标样定量分析,所得γ和α2两相的定量结果仅作参考。随Nb含量的增加,γ相所占的体积分数逐渐增多,α2相体积分数逐渐减少,这与Liu等[12]研究相符,见表1。不同合金γ相晶格常数及c/a值由XRD测得,随Nb含量的增加,c/a值逐渐增大,这与Kawabata等[13]的研究相符,见表2。
2.2 Nb含量对高Al铸造TiA l合金室温拉伸性能的影响
对不同Nb含量的高Al铸造TiA l合金进行室温拉伸实验后得知,合金抗拉强度随Nb含量的增加而降低,但合金的屈服强度却随Nb含量的增加而增加,如图4所示。随Nb含量的增加合金抗拉强度与屈服强度之间的差值逐渐减小,这说明随Nb含量的增加合金塑性变形能力逐渐降低。由XRD研究结果可知,随Nb含量的增加合金α2含量逐渐降低,由Liu等[12]的研究发现合金层片间距随着α2含量的减少而增大,所以合金层片间距随Nb含量的增加而增大。Chen等[14]研究发现的层片组织屈服强度与层片间距符合Hall-Petch公式
图3 不同Nb含量铸造高铝TiA l合金的XRD谱Fig.3XRD patterns of cast TiA l alloys containing high Al with different Nb contents
表1 不同Nb含量合金γ,α2相定量分析结果Table 1 Quantitative analysis ofγphase andα2phase in alloys with different Nb contents 下载原图
表1 不同Nb含量合金γ,α2相定量分析结果Table 1 Quantitative analysis ofγphase andα2phase in alloys with different Nb contents
表2 不同Nb含量合金γ相晶格常数Table 2Lattice parameters ofγphase in alloys with difference Nb contents 下载原图
表2 不同Nb含量合金γ相晶格常数Table 2Lattice parameters ofγphase in alloys with difference Nb contents
式中σy为室温屈服强度;σ0为材料常数;kλ为Hall-Petch常数;λ为层片间距。结合以上分析并由图4可知,随Nb含量从2%增至7%,合金σ0逐渐增大,即Nb的固溶强化效果愈明显,但当Nb含量增至9%时,合金强度增加不明显,这可能是由于Nb含量增加,B2相对强度的不利影响大于了Nb的强化作用。
图4 不同Nb含量合金室温拉伸性能Fig.4 Tensile properties of alloy with different Nb contents at room temperature
合金室温断后伸长率(A)随Nb含量的增加而近似呈线性下降:由2Nb合金的约1.2%降为9Nb合金的约0.3%,如图5所示。
由X射线测得的γ相晶格常数可知,γ相的c/a随Nb含量的增加而增大,这对合金塑性变形不利,因为c/a比值的增大降低了合金晶体结构的对称性和变形的协调性[15,16]。从相反角度来说,c/a比值的减少将导致合金力学性能的各向同性,因为c/a比值的减少将导致普通位错和超位错运动的差别减小,从而改善塑性[13]。另外,随Nb含量的增加合金B2相含量显著增多,如图2和3所示,而B2相对合金室温塑性不利[7],这可能也是合金室温塑性随Nb含量增加而逐渐降低的原因所在。
图5 Nb含量对高铝铸造TiA l合金室温塑性影响的图示Fig.5Effect of Nb content on ambient ductility of cast TiA l alloys containing high Al
由XRD相分析得知:随Nb含量的增加合金α2相含量由2Nb合金的7.8%,降至9Nb合金的0.5%;同时γ相随Nb含量的增加,由2Nb合金的92.2%,增至9Nb合金的99.5%。由以上结果可知,9Nb合金接近单相合金。有研究表明,单相γ-TiA l合金具有良好的环境抗力,但其塑性和韧性比双相合金低[16],这说明少量α2相的存在有利于改善室温塑性。这是由于α2相对氧的溶解度大于γ相,α2相的存在降低了γ相的氧含量,从而提高了合金塑性变形能力[17]。
此外,随合金Nb含量的增加,一方面提高了合金γ相中普通位错开动的临界分切应力(CRSS),即增加了普通位错的运动阻力,从而使合金变形更加不易[18];另一方面降低了γ相的层错能,虽孪晶易于产生,但室温时孪晶位错被钉扎而不易开动[19],因此对合金塑性贡献有限。
对不同合金断口进行SEM观察得知,合金断裂是典型的脆性解理断裂,由穿层断裂面和沿层断裂面组成,且以穿层为主;河流状花样随Nb含量的增加这种特征愈趋于明显。有研究表明[20],室温拉伸时TiA l合金脆性机制断裂发生于材料的弹性阶段。图6为不同Nb含量合金的拉伸断口特征。由不同Nb含量合金的宏观断口可知,特别是当Nb含量大于4Nb时,断口上存在唯一的解理断裂起裂源。
2 Nb合金宏观断口起伏较大;由微观断口可知起裂源为沿层起裂,且沿层面的区域较大,裂纹先沿层扩展,然后穿层扩展,这是由于沿层强度远低于穿层强度,所以外加应力达到一定值时,在试样表面产生微裂纹,然后再外加应力逐渐增加的过程中,不断在薄弱面上产生微裂纹,微裂纹不断连接直至断裂[20]。所以2Nb合金的塑性是最好的。
由图4可知,其他合金随Nb含量的增加,合金屈服强度逐渐增高,不容易产生微裂纹,直到应力加载到很高应力时,材料内部积累了很高的能量,一方面形成起裂源,另一方面积累的能量使裂纹迅速扩展穿过整个试样,即材料内部一旦起裂,就诱发整个试样的解理断裂[20]。并且随Nb含量的增加,这种趋势愈明显。所以其塑性亦愈低。
图6 不同Nb含量高铝铸造TiA l合金的SEM断口形貌图片Fig.6SEM images of fracture of cast TiA l alloys containing high Al with different Nb contents
(a,b)2Nb;(c,d)4Nb;(e,f)7Nb;(g,h)9Nb
3结论
1.Nb含量对高铝铸造TiA l合金的组织影响不大,宏观均为柱状晶组织,微观为近层片组织。
2.合金的抗拉强度随Nb含量的增加而降低而屈服强度则随Nb含量增加而显著增强,当N含量大于7%时,增加不明显。室温断后伸长率随Nb含量的增加而近似呈线性下降,即降低合金的Nb含量有利于改善合金的室温塑性。合金均为脆性解理断裂,断口存在唯一起裂源和典型的“河流状”特征,且这些特征随Nb含量的增加而趋于明显。
3.γ相晶格常数c/a随Nb含量的增加而增大,这不利于合金晶格的对称性和变形的协调性,从而对室温塑性不利。γ相含量随Nb含量的增加而增多,α2相随Nb含量的增加而减少,B2随Nb含量的增加而显著增加,这些均对合金的室温塑性有不利的影响。
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