简介概要

钇对Ti-43Al-9V合金组织性能的影响

来源期刊：稀有金属2004年第1期

论文作者：田竞韩杰才陈玉勇孔凡涛陈子勇

关键词：TiAl合金; 显微组织; 力学性能; 稀土;

摘要：采用OM, XRD, SEM和TEM等测试方法, 分析了稀土元素(Y)对Ti-43A1-9V合金显微组织以及力学形能的影响. 实验结果表明, Ti-43Al-9V-0.3Y合金由γ相、α2相、 B2相和YAl2相组成; 添加稀土可以细化Ti-43Al-9V合金的晶粒尺寸, 并促进细小的α2/γ层片形成以及细化粗大的α2/γ/B2层片. 对TiAl合金力学性能测试表明, 适量添加稀土Y(0.3%,原子分数)可明显改善合金的室温强度和塑性, 但过量添加将会造成材料性能降低; 断口分析表明过量添加稀土导致沿晶断裂比例增加将损害TiAl合金的性能.

稀有金属 2004,(01),75-77 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.01.019

钇对Ti-43Al-9V合金组织性能的影响

陈玉勇田竞陈子勇韩杰才

哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨工业大学材料科学与工程学院黑龙江哈尔滨150001 ,黑龙江哈尔滨150001 ,黑龙江哈尔滨150001 ,黑龙江哈尔滨150001 ,黑龙江哈尔滨150001

摘要：

采用OM , XRD , SEM和TEM等测试方法 , 分析了稀土元素 (Y) 对Ti 43A1 9V合金显微组织以及力学形能的影响。实验结果表明 , Ti 43Al 9V 0 .3Y合金由γ相、α2 相、B2 相和YAl2 相组成 ;添加稀土可以细化Ti 43Al 9V合金的晶粒尺寸 , 并促进细小的α2 /γ层片形成以及细化粗大的α2 /γ/B2 层片。对TiAl合金力学性能测试表明 , 适量添加稀土Y ( 0 .3 %, 原子分数 ) 可明显改善合金的室温强度和塑性 , 但过量添加将会造成材料性能降低 ;断口分析表明过量添加稀土导致沿晶断裂比例增加将损害TiAl合金的性能。

关键词：

TiAl合金;显微组织;力学性能;稀土;

中图分类号： TG113

作者简介：陈玉勇 (Email:kft@hit.edu.cn) ;

收稿日期：2003-09-01

基金：国家自然科学基金资助项目 ( 5 0 2 740 3 5 );

Effect of Yttrium on Microstructure and Mechanical Properties of Ti-43Al-9V Alloy

Abstract：

The influences of rare earth metal (Y) on microstructure and mechanical properties of Ti 43A1 9V were studied alloy by OM, XRD, SEM and TEM measurements. The results show that Ti 43Al 9V 0 3Y alloy is composed of γ phase, α 2 phase, B 2 phase and YAl 2 phase. Adding Y can refine the grain size and thick α 2/γ/B 2 lamellar thickness of Ti 43Al 9V alloy, and promote the formation of fine α 2/γ lamellar. Mechanical property tests show that comparing with Y free alloys, proper quantities for Y (0.3% (atomic fraction) ) added can apparently enhance RT strength and plastic property of Ti 43Al 9V alloy, but excessive adding Y will damage the mechanical property of Ti 43Al 9V alloy. Fracture analysis indicates that excessive adding Y resulting in the increasing of intercrystalline fracture ratio is the reason of decreasing mechanical property of TiAl alloys.

Keyword：

TiAl alloy; microstructure; mechanical property; rare earths;

Received： 2003-09-01

随着航空、航天技术以及汽车工业的飞速发展, 各种新型飞行器的飞行距离和飞行速度的提高, 对轻质、高强、耐热材料及其精密成形技术提出了越来越高的要求。由于γ-TiAl合金具有许多突出特点, 例如密度低, 具有高的比强度和比弹性模量, 在高温时仍可以保持足够高的强度和刚度, 同时它还具有良好的抗蠕变及抗氧化能力等等, 这使其成为航天、航空及汽车用发动机耐热结构件极具竞争力的材料 ^[1,2,3,4,5] 。大量研究表明, 合金化是改善TiAl合金显微组织和性能的重要途径之一, 通常添加的合金元素有V, Cr, Nb, W, Mo, Si, B等 ^[6,7,8,9] 。稀土元素一般被用来细化材料的显微组织, 目前研究稀土元素对TiAl合金影响的文献比较少。本文是以稀土Y作为合金化元素添加到Ti-43Al-9V合金中, 考察稀土元素Y对TiAl合金显微组织及力学性能的影响规律。

1 实验过程

实验用原材料为高纯钛, 高纯铝, 钒及钇均为与铝的中间合金。合金的名义成分为 (%, 原子分数) : Ti-43Al-9V-0.3Y, 作为对比的合金成分为 (%, 原子分数) : Ti-43Al-9V。按照设计的成分配比后, 在水冷铜坩埚真空感应熔炼炉 (Induction Skull Melting, 简称ISM) 中熔炼成合金锭, 并切割成实验用试样, 然后进行热等静压 (HIP) 处理, 处理条件为1250 ℃, 170 MPa, 4 h。合金实际测得的成分见表1。

利用日本理学D/max-Rb型旋转阳极X射线衍射仪 (XRD) , Olympus BH-6金相显微镜 (OM) 和Philips CM12型透射电子显微镜 (TEM/EDAX9100) 等测试仪器对试样的显微组织以及相组成进行分析。用于TEM观察的薄膜试样采用离子减薄技术制备, OM试样采用kroll溶液进行腐蚀。材料的拉伸性能测试在Instron电子万能拉伸实验机上进行, 拉伸应变速率为1.0×10^-3 s^-1, 拉伸引伸计标距为10 mm。断口形貌采用X650型扫描电子显微镜 (SEM) 进行观察。

2 结果与讨论

2.1 合金的显微组织及相分析

图1为铸态Ti-43Al-9V合金与Ti-43Al-9V-0.3Y合金的光学显微组织照片。从图1可以发现, 两种合金均为等轴晶, 而且Ti-43Al-9V合金与Ti-43Al-9V-0.3Y合金的组织明显不同于TiAl合金的

表1 合金实测的成分 (%, 原子分数) Table 1 Compositions of experimental alloys

含量	Ti	Al	V	Y
Ti-43Al-9V	Bal	47.2	8.98	-
Ti-43Al-9V-0.3Y	Bal	46.5	9.03	0.27

图1 TiAl合金的显微组织形貌 (a) Ti-43Al-9V alloy; (b) Ti-43Al-9V-0.3Y alloy Fig.1 Microstructure of TiAl alloys

图2 合金的X射线衍射谱线 (a) Ti-43Al-9V alloy; (b) Ti-43Al-9V-0.3Y alloy Fig.2 X-ray diffraction spectrum of TiAl alloy

4种典型组织 (全层片组织、近层片组织、双态组织和近γ组织) , 材料中有很多不规则的大致呈竹叶状、块状或条状等形状的相。 Ti-43Al-9V合金晶粒尺寸在150~200 μm之间, 平均尺寸约为170 μm。 Ti-43Al-9V-0.3Y合金的晶粒尺寸在50~100 μm之间, 平均尺寸为80 μm, 稀土Y添加可以细化Ti-43Al-9V合金的晶粒尺寸。 Ti-43Al-9V合金与Ti-43Al-9V-0.3Y合金的X射线衍射实验分析结果表明, Ti-43Al-9V合金由γ相、 α₂相和B₂相组成, 而Ti-43Al-9V-0.3Y合金中除具有γ相、 α₂相和B₂相之外, 还有稀土与Al形成的YAl₂相, 见图2。

TEM研究表明, Ti-43Al-9V合金具有粗大的层片结构, Ti-43Al-9V-0.3Y合金组织与Ti-43Al-9V合金有很大区别, 除粗大的层片外, 还有细小的层片, 并且粗大层片厚度也较低。 TEM电子衍射斑点标定发现Ti-43Al-9V-0.3Y合金中细小的层片为α₂/γ片层组织, 而Ti-43Al-9V合金和Ti-43Al-9V-0.3Y合金中的粗大层片中除含有γ相、少量的α₂相以外, 还有少量的体心立方相。结合XRD结果, 可以认为体心立方相为B₂相, 见图3。

由TEM所带能谱对Ti-43Al-9V-0.3Y合金体心立方相的成分测量结果可知, 体心立方相中主要含有51.03% (原子分数) 的Ti, 34.35% (原子分数) 的Al和14.62% (原子分数) 的V (平均含量) , 而稀土元素的固溶量非常低。 Ti-43Al-9V合金B₂相的成份与Ti-43Al-9V-0.3Y合金相比, 变化不大。

2.2 室温力学性能及断口形貌

表2为经过HIP处理后的Ti-43Al-9V与Ti-43Al-9V-0.3Y合金室温拉伸性能结果, 从表中可以看出, 0.3%的Y添加可以提高Ti-43Al-9V合金的室温力学性能。从断口形貌可以看出二者均为穿晶 (层片团) 解理断裂 (见图4 (a) 和 (b) ) 。实验中也对大量添加稀土 (1.0%) 的力学性能及断口形貌

图3 TiAl合金层片结构 (a) Ti-43Al-9V; (b) Ti-43Al-9V-0.3Y Fig.3 Lamellar microstructure of TiAl based alloys

表2 TiAl合金室温力学性能Table 2 Mechanics properties of TiAl alloys

含量	σ_0.2/MPa	σ_b/MPa	δ/%
Ti-43Al-9V	402.8	461.5	1.1
Ti-43Al-9V-0.3Y	433.5	496.4	1.6
Ti-43Al-9V-1.0Y	365.2	297.5	0.4

进行了分析, 发现过量添加稀土同样会损害材料性能, 断口呈现明显的沿晶脆性断裂形貌 (图4 (c) ) , 这表明过量添加稀土导致沿晶断裂比例增加将损害TiAl合金的性能。

图4 TiAl合金断口形貌 (a) Ti-47Al-9V; (b) Ti-47Al-9V-0.3Y; (c) Ti-47Al-9V-1.0Y Fig.4 Fracture morphology of TiAl alloys

3 结论

Ti-43Al-9V-0.3Y合金由γ相、 α₂相B₂相和YAl₂相组成; 添加稀土可以细化Ti-43Al-9V合金的晶粒尺寸, 并促进细小的α₂/γ层片形成以及细化粗大的α₂/γ/B₂层片。力学性能测试表明, 添加0.3% (原子分数) 稀土Y可以提高Ti-43Al-9V合金的强度与塑性。过量添加稀土 (1.0% (原子分数) ) 将导致材料发生沿晶脆性断裂, 不利于合金力学性能的改善。