文章编号：1004-0609(2013)S1-s0143-05

微量硼的添加对Ti-9V-3Al-4Sn-5Mo合金显微组织和力学性能的影响

郁  炎¹，宋德军¹，李士凯¹，刘兴军²

(1. 中国船舶重工集团公司 第七二五研究所，洛阳 471039；

2. 厦门大学 材料学院，厦门 361005)

摘  要：为掌握B元素的添加对Ti-9V-3Al-4Sn-5Mo合金显微组织和力学性能的影响规律，采用电子探针微区分析仪(EPMA)、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、万能试验机(UTM)等设备，详细研究(Ti-9V-3Al-4Sn-5Mo)_1-xB_x(x=0，0.04，0.08)合金的成分、显微组织与力学性能等。研究结果表明：B的添加可以明显细化Ti-9V-3Al-4Sn-5Mo合金的晶粒，且B元素在合金中以TiB相的形式存在。随着B质量分数(0，0.04%，0.08%)的增加，TiB相的质量分数亦逐渐增加，轧制态和固溶态合金的强度亦逐渐增加，时效态合金的强度先增加后减少。轧制态、固溶态以及时效态合金的塑性均先增加后减少。

关键词：Ti-9V-3Al-4Sn-5Mo合金；B元素；TiB相；显微组织；力学性能

中图分类号：TG136.1　　     文献标志码：A

Effect of minor boron additions on microstructures and mechanical properties of Ti-9V-3Al-4Sn-5Mo alloy

YU Yan¹, SONG De-jun¹, LI Shi-kai¹, LIU Xing-jun²

(1. Luoyang Ship Material Research Institute, Luoyang 471039, China,

2. College of Materials, Xiamen University, Xiamen 361005, China)

Abstract: In order to understand the effect of minor boron additions on microstructures and mechanical properties of Ti-9V-3Al-4Sn-5Mo alloy, the chemical compositions, microstructures and mechanical properties of (Ti-9V-3Al-4Sn-5Mo)_1-xB_x (x=0, 0.04, 0.08) alloys were systematically studied by electron probe micro-analyzer (EPMA), optical microscope (OM), scanning electron microscope (SEM) and universal testing machine (UTM). The obtained results are described as follows: B additions can obviously refine the crystal grains of Ti-9V-3Al-4Sn-5Mo alloy, and exist in the form of TiB phases. With increasing B additions (0, 0.04%, 0.08%), the contents of TiB phase and the tensile strength of the rolled and solution-treated alloys increase, while the tensile strength of the aged alloys first increases and then decreases. The ductility of the rolled, solution-treated and aged alloys first increases and then decreases.

Key words: Ti-9V-3Al-4Sn-5Mo alloy; boron; TiB phase; microstructure; mechanical property

钛及其合金被称为“太空金属”、“海洋金属”和“智慧金属”，在航空、航天、船舶、海上石油开采、海水淡化、真空制盐、化工、电力、冶金、纺织、造纸、食品、医疗、体育休闲等领域具有广泛用途，是重要的战略材料^[1-12]。

与α及α+β钛合金相比，β钛合金具有更高的比强度、更优异的冷加工性能等优点，因此，在航空航天以及医疗等领域得到更为广泛的应用。近年来，随着钛合金制备技术的发展，国内外先后开发出几种高强β型钛合金，亚稳β型Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al(Ti-15-3)是其中的代表之一^[13-19]。但是金属V价格昂贵，其质量分数过高会极大限制Ti-15-3合金的广泛应用。为在保持原有性能的前提下尽可能降低V的质量分数以实现Ti-15-3合金低成本化，本文作者在前期研究中基于d-电子合金设计方法设计与Ti-15-3合金具有相近的和且综合性能相当的Ti-9V-3Al-4Sn-5Mo合金。

微合金化是改善钛合金组织和性能的常用方法之一。为进一步改善Ti-9V-3Al-4Sn-5Mo合金的综合性能，本文作者就B元素的添加对Ti-9V-3Al-4Sn-5Mo合金显微组织和力学性能的影响进行实验研究。

1  实验

采用真空非自耗炉熔炼(Ti-9V-3Al-4Sn-5Mo)_1-xB_x (x=0，0.04，0.08)合金铸锭。然后对铸锭进行热处理，其中固溶处理制度是900 ℃保温45 min后冰水淬火，时效处理制度是固溶处理后在500 ℃保温3 h后空冷。

采用JEOL JXA-8100型电子探针微区分析仪(EPMA)对测定合金成分。金相组织观察在Leica DMI5000M型莱卡倒置金相显微镜(OM)上进行，采用的腐蚀剂为92 mL H₂O+3 mL HF+5 mL HNO₃，也可加入少量的H₂O₂，其中HF的质量分数为40%，HNO₃的质量分数为65%。在Galdabini Sun 2500实验机(UTM)上进行室温力学性能测试。采用JSM-6360LV型扫描电镜(SEM)观察微观组织和断口形貌，加速电压选为20 kV。

2  结果与讨论

2.1  合金成分

通过EPMA测定的(Ti-9V-3Al-4Sn-5Mo)_1-xB_x (x=0，0.04，0.08)合金成分，如表1所列。从表1中可以看出，上述合金的实测成分与名义成分十分接近，表明在熔炼过程中各合金组元的损耗极小。

2.2  显微组织

图1(a)~(c)所示分别是合金1~3铸态组织的背散射电子像。从图1中可见：当B元素的添加量达到0.04%时，合金已经析出细小的黑色相 (经EPMA成分分析确认为TiB相)，且随着B元素质量分数增加至0.08%，TiB相的质量分数亦随之增加。

图2(a)~(c)所示的分别是合金1~3的固溶态组织。

表1  实验合金的化学成分

Table 1  Chemical composition of test alloys (mass fraction, %)

图1  合金1、2以及3的铸态组织的背散射电子像

Fig. 1  Backscattered electron images of as-cast alloys

从图2中可见：所有固溶态组织都呈现单一的等轴β相组织。当合金没有添加B元素时，其固溶态组织的晶粒平均直径大概为150 μm，如图2(a)所示；当B元素的添加量达到0.04%时，固溶态组织的平均晶粒直径显著减小，约为70 μm(如图2(b)所示)。随着B质量分数的进一步增加至0.08%，固溶态组织的晶粒粒径仅约为50 μm(如图2(c)所示)。以上结果表明：微量B元素的添加能够起到显著细化晶粒的作用。

图2  合金1、2以及3的固溶态组织

Fig. 2  Microstructures of solution-treated alloys

2.3  力学性能

合金1~3在不同状态下的力学性能如表2所列。

从表2中可知，合金强度在轧制态和固溶态时都是随着B质量分数的增加而逐渐增加，且固溶态的强度要略低于轧制态的，而合金经过时效后，其强度要显著提高，且随着B质量分数的增加而先增加后减少。这是因为，当合金经过热轧制成片状材料时，合金中存在少许的TiB相，其含量随着B质量分数的增加而逐渐增加，且主要分布在晶界上，因此合金强度要比没有添加B时明显提高；但是合金经过固溶处理后急速冷却时，TiB相质量分数反而减少，因此导致合金强度比轧制态略有降低。当这些合金经过时效处理后，TiB相开始大量析出，因此合金强度显著增加。

从表2中还可知，合金在不同状态下的塑性随B质量分数的变化均呈现相同的变化规律：即先增加，到B质量分数为0.04%时达到最大，然后随着B质量分数的增加而减少。综合比较，合金在固溶态时具有最好的塑性，其次是轧制态，最后是时效态。这是因为，合金在固溶态时，TiB相质量分数最少，因此塑性最好，轧制态合金中的TiB相质量分数要明显多于固溶态，故其塑性较差，而当合金经过时效处理后，TiB相质量分数显著增加，因此塑性最差。

表2  实验合金在不同状态下的力学性能

Table 2  Mechanical properties of test alloys with different states

2.4  拉伸断口形貌

图3(a)~(c)所示的分别是固溶态合金1~3的拉伸断口形貌。从图3中可见：上述合金的断口均呈现典型的韧性断裂特征，由大量韧窝构成，说明固溶状态下合金均具有较好的塑性。同时，还可以发现，B的添加量为0.04%时，合金拉伸断口组织中韧窝尺寸最大，这和拉伸实验结果中其塑性最佳是一致的。

3  结论

1) 微量B元素的添加可以显著细化Ti-9V-3Al-4Sn-5Mo合金的晶粒，且B元素在合金中以TiB相的形式存在。随着B质量分数的增加，TiB相的质量分数亦随之增加。

2) 随着B质量分数(0，0.04%，0.08%)的增加，轧制态和固溶态合金的强度亦逐渐增加，时效态合金的强度先增加后减小。

3) 轧制态、固溶态以及时效态合金的塑性随B质量分数的变化均呈现相同的变化规律：即先增加，到B质量分数为0.04%时达到最大，然后随着B质量分数的增加而降低。

图3  固溶态合金1、2以及3的拉伸断口形貌

Fig. 3  Fractrue morphologies of solution-treated alloys

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(编辑  邓履翔)

基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(2013AA09A109)

收稿日期：2013-07-28；修订日期：2013-10-10

通信作者：郁  炎，工程师，博士；电话：0379-67256049；E-mail：yuyan725@126.com