胡新煜,张娇娇,王俊勃,李笑然,赵 康,黄 晟,司鹏伟

(1.西安理工大学 材料科学与工程学院,陕西 西安 710048;2.西安工程大学 材料工程学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

Ti2AlNb基合金由于具有较好的高温蠕变性能、抗磁性能、高比强度以及优良的室温塑性等优点,成为600～750 ℃使用的最具有潜力的航天航空飞行器发动机材料之一[1-3]。目前,采用真空自耗熔炼法[4-6]制备的Ti2AlNb基合金较为常见且工艺较为成熟,但是存在宏观偏析现象难以控制,预合金原材料制备成本高、浪费大等缺点。粉末冶金法[7-11]制备的Ti2AlNb 合金可避免传统铸造中宏观成分偏析和微观组织不均匀等问题, 得到组织更加均匀、性能更加稳定的合金或构件坯料。

目前,研究者多通过改变合金的成分[12-13]和采用热处理工艺[14-15]改变相及显微组织来提高Ti2AlNb基合金的服役性能。但Ti2AlNb基合金属于三元体系,在不同的热加工工艺下,相变关系极为复杂,微观组织和力学性能随热处理工艺的变化非常敏感[16-17],因此,探究热处理工艺与Ti2AlNb基合金的显微组织和力学性能的关系尤为迫切。文中以粉末冶金法制备Ti-22Al-25Nb-2V合金,并使用不同的热处理工艺处理合金,通过观察、分析热处理前后合金的微观形貌及显微硬度、相对密度和压缩强度等物理性能,探讨Ti-22Al-25Nb-2V合金塑性与强度相匹配的热处理途径。

1 实 验

1.1 原料与仪器

1.1.1 原料 钛粉(纯度99.98%,粒度44～47 μm),铝粉(纯度99.96%、粒度1～2 μm),铌粉(纯度99.90%、粒度1～2 μm),钒粉(纯度为99.58%、粒度为45～49 μm)。实验原料均选取上海阿拉丁公司生产的单质粉体。

1.1.2 仪器 2BV系列水环式真空泵(山东淄博有限公司),A1104型电子天平(常熟市双杰测试仪器厂),玛瑙研钵(凌源博华玛瑙制品厂),WAW-2000P型压力机(上海久盈机械厂),GWL-KQGA-3型真空反应烧结炉(洛阳市涧西区国炬试验电炉厂),KQ3200E型超声波清洗仪(昆山市超声仪器有限公司),LeicaDM4000M型光学显微镜(北京瑞宏诚科技发展有限公司),MH-3型数字式显微硬度计(郑州华银试验仪器有限公司),Instron 5500R型电子万能拉伸试验机(山东德瑞克仪器有限公司),烧杯,坩埚若干等。

1.2 方法

1.2.1 Ti-22Al-25Nb-2V合金的制备 采用粉末冶金法[18]，按一定比例在真空手套箱中称取钛粉、铝粉、铌粉和钒粉(其合金成分见表1)。将混合粉末放入高速摆振球磨机中球磨4 h,球料比为5∶1,转速为190 r/min。将制得的混合粉末在真空条件下放入模具,1 200 MPa保压10 min压制成坯。在真空反应烧结炉中,将真空冷压坯200 ℃去应力退火2 h后,在630 ℃预烧处理4 h,1 000 ℃反应烧结1.5 h,制得Ti-22Al-25Nb-2V合金。Ti-22Al-25Nb-2V合金在真空1 100 ℃固溶处理1.5 h后油冷,随后分别选取温度为700 ℃,750 ℃,800 ℃和850 ℃在β/B2相区对合金进行真空时效处理12 h后空冷。升温速率为10 ℃/min,氮气保护。合金制备流程如图1所示。图中冷压坯中各元素粉末经烧结后产生不同相组织,最终经过热处理工艺得到室温相。

表 1 Ti2AlNb 合金的化学成分(原子分数/%)

图 1 Ti-22Al-25Nb-2V合金制备路线示意图Fig.1 Schematic diagram of the preparation route of Ti-22Al-25Nb-2V alloy

1.2.2 测试与表征 采用LeicaDM4000M型光学显微镜对Ti-22Al-25Nb-2V合金的显微组织形貌进行观察;采用MH-3型数字式显微硬度计测试Ti-22Al-25Nb-2V合金的硬度;采用阿基米德排水法测量Ti-22Al-25Nb-2V合金的密度;采用Instron 5500R型电子万能拉伸试验机对Ti-22Al-25Nb-2V合金进行室温压缩试验。

2 结果与分析

2.1 固溶处理对合金显微组织的影响

由Boehlert[19]绘出的Ti-22Al-xNb三元体系合金变温垂直截面相图得知,Nb含量在27%时,其相组织转变过程为

(1)

图2为未经固溶处理和固溶处理的Ti-22Al-25Nb-2V合金显微组织图。由图2(a)可以看出,Ti-22Al-25Nb-2V合金的显微组织由α2相、O相和β/B2基体组成,α2相与基体B2相通过界面连接,又有部分界面紧挨O相,这就形成了交叉共存、彼此依附的(α2+β/B2+O)相合金组织,这与文献[20]通过热等静压工艺所得结果一致。由图2(b)可以看出,1 100 ℃固溶处理1.5 h后,相组织由三相变为两相,显微组织由大量β/B2相和少量α2相组成。这可能是因为在加热条件下,O相中的元素分散为Ti3Al、Al和Nb元素,通过B2相与O相的界面以及α2相与O相的界面进行扩散,使O相晶核固溶在基体B2相中或转变为α2相。这种现象与公式(1)中相变基本一致,但相的转变温度有所升高,这可能是因为V元素的添加提高了O相转变为B2相或α2相的转变温度。

2.2 时效处理温度对合金显微组织的影响

对1 100 ℃固溶处理1.5 h后的Ti-22Al-25Nb-2V合金进行不同温度时效处理,产物的显微组织图如图3所示。Bendersky等[21]得出,当Nb含量大于15%原子分数时,B2相可经过中间过渡B19相转变为O相。由图3可以看出,时效处理过程中相的转变与公式(1)有所不同,没有形成β/B2单相组织。这可能是因为V元素和Nb元素同属于β相稳定元素,本实验采用V元素代替了部分Nb元素,增加了Ti-22Al-25Nb-2V合金的β相稳定性,致使该反应在升温过程中反应较慢,α2相没有全部消失。V元素又对O相的形成具有促进作用,致使O相从基体B2相中析出,形成了三相组织,且随着温度的升高,基体B2相与O相界面间的扩散速率加快,O相的厚度也随之逐渐增加。

(a) 未固溶处理 (b) 固溶处理图 2 Ti-22Al-25Nb-2V合金显微组织Fig.2 Microstructure of Ti-22Al-25Nb-2V alloy

(a) 700 ℃ (b) 750 ℃

(c) 800 ℃ (d) 850 ℃图 3 不同温度时效处理Ti-22Al-25Nb-2V合金显微组织Fig.3 Microstructure of Ti-22Al-25Nb-2V alloytreated by different temperatures

分析固溶处理和时效处理后的粉末冶金 Ti-22Al-25Nb-2V合金微观组织, 可得出热处理 Ti-22Al-25Nb-2V 合金的相组织转变示意图, 如图4所示。

图 4 热处理Ti-22Al-25Nb-2V合金相组织转变示意图

2.3 时效处理温度对合金相对密度的影响

为研究时效处理是否对零件的尺寸有影响,测试时效处理后合金的相对密度。表2为Ti-22Al-25Nb-2V合金相对密度与时效处理温度关系图。由表2可看出,与反应烧结Ti-22Al-25Nb-2V合金的相对密度82%相比,随着时效处理温度的增加,Ti-22Al-25Nb-2V合金的相对密度略有降低但改变较小。这可能是因为在高温反应烧结过程中,Ti-22Al-25Nb-2V合金内部已经形成了骨架结构,但却仍然存在着大量的Nb元素颗粒没有熔化,这种骨架结构在时效处理温度升高的过程中会阻碍Nb元素的流动。而且,在时效处理过程中Ti-22Al-25Nb-2V合金内部可能存在着少量的气泡,气泡会受到合金表面的作用力而附着在骨架表壁,难以从合金内部逸出,致使Ti-22Al-25Nb-2V合金的致密度提高困难且略有降低。

表 2 Ti-22Al-25Nb-2V合金相对密度与时效处理温度的关系

2.4 时效处理温度对合金显微硬度的影响

β/B2相(BCC)的滑移系较多,为塑性相;α2相(HCP)独立滑移系少,塑性差,为脆性相;O相具有对称的有序正交晶体结构[22]。表3为Ti-22Al-25Nb-2V合金显微硬度与时效处理温度的关系图。由表3可看出,随着时效温度的增加,Ti-22Al-25Nb-2V合金的显微硬度降低,且减小的速度逐渐加快。

时效处理温度为700 ℃时,合金的显微硬度最大。这可能是因为在700 ℃时Ti-22Al-25Nb-2V合金的α2相含量减少,β/B2相含量增加,且随着保温时间的增加,基体β/B2相析出了O相。由于基体B2相与析出O相的相容性极好,但晶体结构又不相同,致使晶体产生了共格的弹性畸变,阻碍了合金的塑性变形,提高了合金硬度。

时效处理温度为850 ℃时,合金的显微硬度最小。这可能是因为V元素的添加促进了O相的形成,随着时效温度的增加,O相长大长粗,基体β/B2相与析出O相产生的弹性共格畸变因达到饱和而被破坏,时效强化的作用明显减小,降低了合金硬度。

表 3 Ti-22Al-25Nb-2V合金显微硬度与时效处理温度的关系

2.5 时效处理温度对合金压缩性能的影响

图5是Ti-22Al-25Nb-2V合金力-位移与时效处理温度关系图。由图5可以看出,随着时效处理温度的升高,Ti-22Al-25Nb-2V合金的压缩强度和屈服强度先降低后升高。时效处理温度为700 ℃和750 ℃,当压缩位移在0.2～0.7 mm时,α2相含量减少,β/B2相含量增多,力与位移的比值稳定;时效处理温度为800 ℃,当压缩位移在0～0.2 mm时,β/B2相含量较多导致合金的塑性较好,压缩力直线增大。当压缩位移在0.3～0.7 mm时,β/B2相与析出O相相互作用,出现了受力反复回弹的现象;时效处理温度为850 ℃,当压缩位移在0～0.4 mm时,压缩力基本不变。当压缩位移达到1.4 mm时,O相晶粒长大长粗,阻碍了合金变形,发生了压缩破坏,出现了合金塑性变形后抵抗压缩变形的现象。

图 5 Ti-22Al-25Nb-2V合金力-位移与时效处理温度的关系

3 结 论

(1) 1 100 ℃固溶处理1.5h,Ti-22Al-25Nb-2V合金显微组织由三相变为两相,主要由大量的β/B2相和少量α2相组成,V元素的添加提高了固溶处理过程中O相转变为B2相或α2相的转变温度。

(2) V元素的添加增加了Ti-22Al-25Nb-2V合金的β相稳定性,致使时效处理反应较慢;促进了O相的形成,使时效处理过程中O相从基体B2相中析出,形成了三相组织,且随着温度的升高,基体B2相与O相界面间的扩散速率加快,O相的厚度也随之逐渐增加。

(3) 随着时效处理温度的增加,Ti-22Al-25Nb-2V合金的相对密度略有降低但改变较小;显微硬度降低,且减小的速度逐渐加快;压缩强度和屈服强度先降低后升高,700 ℃时效处理合金硬度和塑性均达到最大,800 ℃时效处理压缩强度和屈服强度最低,850 ℃时效处理硬度最低为316 HV。