孫嫣然, 段輝平, 康 寧

(北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

Er對Ti-16Al-27Nb合金組織和性能的影響

孫嫣然, 段輝平, 康 寧

(北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

采用添加稀土元素Er改善Ti-16Al-27Nb合金的力學(xué)性能，分析其對合金組織結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明：添加微量Er可以細化合金的晶粒，但不改變合金基體的相組成，合金均由B2、α2和O相組成；當Er含量較低時，主要以固溶形式存在于合金中；當Er含量約為0.6%(摩爾分數(shù))時，合金中將析出面心立方結(jié)構(gòu)的富Er相，并彌散分布于基體中，隨著Er含量的增加，富Er相尺寸變大且沿晶界聚集，導(dǎo)致合金性能下降。固溶強化和彌散強化是微量Er元素改善合金性能的原因，當添加0.6% Er時，合金具有優(yōu)良的塑性變形能力。

Ti-Al-Nb合金；Er；顯微組織；力學(xué)性能

Ti2AlNb合金是在Ti3Al化合物的合金化過程中發(fā)展起來的一類新型高溫結(jié)構(gòu)材料。為改善 Ti3Al化合物的強度和塑性，通常添加β 穩(wěn)定元素，如Nb、Mo、V 和 Ta等[1]。 印度國防冶金實驗室的 BANERJEE等[2]在研究Nb 對Ti3Al合金相轉(zhuǎn)變的影響時發(fā)現(xiàn)：當Nb含量高于12.5%(摩爾分數(shù))時，合金中出現(xiàn)了平衡成分為Ti2AlNb的有序正交相，即O相，以O(shè) 相為主要組成相的Ti2AlNb基合金具有較好的綜合性能。雖然晶粒粗大的O相合金塑性較差，但可通過熱處理獲得具有優(yōu)良綜合性能的 O+B2雙相合金。由于該合金具有優(yōu)良的高溫性能，在航空航天高溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[3-6]。

雖然Ti2AlNb基合金的高溫延展性較優(yōu)、強度較高，但其室溫可加工性能仍然較差，因此，改善合金的室溫可加工性能成為低鋁高鈮Ti-Al-Nb合金研究的熱點。由于Ti-Al-Nb合金的力學(xué)性能強烈依賴于其組織和成分，因此，添加合金化元素或選擇適當?shù)臒崽幚砉に?，從而獲得性能優(yōu)異的相結(jié)構(gòu)或顯微組織，是目前常用的改善合金性能的方法，如中國鋼鐵研究總院的ZHANG等[7]通過熱處理獲得了室溫拉伸面縮率達33%的Ti-23A1-17Nb合金。SEUNG和SOO等[8]研究了W對Ti2AlNb 基合金顯微組織及硬度的影響。結(jié)果表明，W元素可細化合金的魏氏體板條組織，改善合金的綜合力學(xué)性能。李世瓊等[9]研究了Ta元素對合金Ti-22Al-20Nb性能的影響，發(fā)現(xiàn)其屈服強度基本不變，伸長率卻急劇增加。PENG等[10]研究了Ti-Al-Nb-Ta體系的顯微組織及其演化機制，指出 Ta能促進 B2相向 O相的轉(zhuǎn)變。司玉鋒等[11]研究了稀土元素Y對Ti-23Al-25Nb合金顯微組織的影響，發(fā)現(xiàn)兩種鑄態(tài)合金均由O相組成，稀土Y以Y2O3的形式存在于合金中，使合金晶粒得到明顯細化。

加入稀土元素改善合金的顯微組織和細化晶粒，是一種提高合金力學(xué)性能的常見方法[12]，如在Ti-Al-Nb合金中添加適量的Y[13]或在鋁合金中添加Er元素[14]可以極大地改善合金的力學(xué)性能。LUO等[15]研究發(fā)現(xiàn)，在Zr基非晶合金中添加少量的稀土元素Y和Er，可以改善非晶合金的形成能力并明顯提高合金的塑性變形能力。為此，本文作者擬在Ti-16Al-27Nb合金中添加少量稀土元素 Er，研究稀土元素 Er對合金組織和性能的影響。

1 實驗

采用純度均高于99.9%的Al、Ti、Nb和Er塊體材料作為原料，按照 Ti-16Al-27Nb-xEr成分(摩爾分數(shù)，%)配料，其中x=0、0.3、0.6、1.2、1.6和2.0，利用NEW-ADR-05真空電弧爐把配比好的原料熔煉成合金鑄錠。采用真空熱處理爐在氬氣保護下對所制備的合金鑄錠進行熱處理，熱處理制度如下：室溫升至 1 250 ℃并保溫2 h進行均勻化處理，然后快冷至 850 ℃繼續(xù)保溫8 h，最后爐冷至室溫。

利用線切割方法從處理后的鑄錠中切取試樣進行分析。室溫壓縮實驗采用尺寸為d4 mm×6 mm的圓柱形樣品；采用SANS電子式材料實驗機進行壓縮實驗，加載速率為0.3 mm/min；采用金相顯微鏡對腐蝕后的試樣進行金相組織觀察，腐蝕劑組成為V(HNO3)∶V(HF)∶V(H2O2)∶V(H2O)=5∶2∶12.5∶45 。 采 用AXS D-8X射線衍射儀測定試樣的相組成；采用JXA-8100電子探針顯微分析儀(EPMA)和JEM-2100F透射電子顯微鏡(TEM)觀察試樣的顯微組織和形貌；采用透射電鏡所帶的能譜儀進行成分分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 合金的壓縮性能

圖1所示為試樣的室溫壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線。從圖1可以看出，所有曲線在經(jīng)歷一個近似的線性變形過程后都出現(xiàn)一個應(yīng)力平臺，呈現(xiàn)典型的馬氏體相變特征[4]。表 1所列為激發(fā)合金馬氏體相變所需的應(yīng)力σM，其確定方法如圖1中的插圖所示，沿曲線線性段和平臺分別作切線，兩切線的交點即為馬氏體相變激發(fā)應(yīng)力點。同時，表1中還列出了合金的斷裂強度σf以及斷裂前的應(yīng)變率ε?？梢?，加入稀土元素Er后，合金的馬氏體相變激發(fā)應(yīng)力σM和斷裂強度σf均有一定程度的提高，但應(yīng)變率ε出現(xiàn)先增后減的趨勢。當Er含量為0.6%(摩爾分數(shù))時，合金具有優(yōu)良的塑性變形能力，在整個壓縮過程中，合金棒不發(fā)生斷裂，如圖1中曲線(c)所示。除曲線(e)表示的合金外，其他合金的斷裂韌性都比沒有添加稀土Er的母合金的高?？梢姡砑酉⊥猎谽r對合金的力學(xué)性能產(chǎn)生了重要影響，這與合金的組織變化相關(guān)。

圖1 不同Er含量(摩爾分數(shù))Ti-16Al-27Nb合金的壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.1 Compressive stress—strain curves of Ti-16Al-27Nb alloy with different mole fractions of Er: (a) 0% Er; (b) 0.3%Er; (c) 0.6% Er; (d) 1.2% Er; (e) 1.6% Er; (f) 2.0% Er

2.2 合金的相組成

圖2所示為試樣的XRD譜。元素Er的摩爾分數(shù)分別為0、0.6%和1.2%。由于元素Er的添加量較少，在圖2所示的X射線衍射譜中沒有發(fā)現(xiàn)與Er元素有關(guān)的特征峰。通過標定可知，所有合金均由O、α2和B2相組成，可見，添加稀土元素 Er不能明顯改變合金的相組成。但從合金的顯微組織來看，添加稀土元素Er后，合金的組織得到細化，且當稀土元素含量達到一定時，合金中將析出富稀土相。

圖3所示為合金的光學(xué)金相組織?？梢钥闯觯S著 Er含量的增加，合金的晶粒尺寸急劇減小。表 2所列為添加稀土元素Er后合金晶粒尺寸的變化。

從表2可以看出，稀土元素Er對合金晶粒細化效果非常明顯。根據(jù)Hall-Petch關(guān)系可知，合金強度隨著元素Er含量的增加而逐漸提高。 但從表1可以看出，在所有斷裂的合金中，0.3%Er(摩爾分數(shù))的合金具有最高的斷裂強度，而馬氏體相變的激發(fā)應(yīng)力基本隨Er含量的增加而增加，這與添加元素Er引起的固溶強化、彌散強化以及晶界強化作用有關(guān)。

表 1 Er含量(摩爾分數(shù))對 Ti-16Al-27Nb合金力學(xué)性能的影響Table1 Effect of Er content (mole fraction) on mechanical properties of Ti-16Al-27Nb alloy

表2 Er含量(摩爾分數(shù))對合金晶粒尺寸的影響Table2 Effect of Er content (mole fraction) grain size of Ti-Al-Nb alloy

圖2 不同Er含量(摩爾分數(shù))Ti-16Al-27Nb合金的XRD譜Fig.2 XRD patterns of Ti-16Al-27Nb alloy with different Er contents (mole fraction)

圖3 Ti-16Al-27Nb-xEr合金光學(xué)金相組織Fig.3 Optical microstructures of Ti-16Al-27Nb-xEr: (a) 0%Er;(b) 0.6% Er; (c) 1.2% Er

圖4所示為合金晶粒中亞組織的背散射形貌。其中：圖 4(a)、(b)和(c)試樣中稀土元素 Er的摩爾分數(shù)分別為0、0.6%和1.2%。從圖4可見，所有合金都由針狀組織構(gòu)成，當沒有添加元素Er時，合金由灰色相和黑色相組成，合金中沒有析出相；值得注意的是，當元素Er的添加量達到0.6%(摩爾分數(shù))時，在黑色相中開始析出一些細小的白色顆粒相，如圖4(b)中的局部放大圖所示；當元素 Er的含量繼續(xù)增加，如達到1.2%(摩爾分數(shù))時，合金中的針狀組織粗化，灰色相體積含量增加并逐步形成塊狀組織，同時析出白色顆粒相的含量增加，尺寸增大并在晶界聚集，如圖 4(c)所示。

圖4 Er元素含量(摩爾分數(shù))對Ti-16Al-27Nb合金顯微組織的影響Fig.4 Effect of Er content (mole fraction) on microstructure of Ti-16Al-27Nb alloy: (a) 0% Er; (b) 0.6% Er; (c) 1.2% Er

當Er含量較低時，元素Er主要固溶在基體中，起固溶強化作用，也可偏聚在晶界，對晶界起強化作用。此時，元素Er的含量越高，強化效果越明顯，從而使合金的斷裂強度和馬氏體相變激發(fā)應(yīng)力增加；但隨著元素 Er含量的進一步增加，合金中析出細小的Er相，對合金起彌散強化作用，阻礙晶粒切變過程的進行，使馬氏體相變激發(fā)應(yīng)力增加；當元素Er的含量高于0.6%(摩爾分數(shù))以后，析出相隨著Er含量的增加而長大，并在晶粒內(nèi)或晶界析出，晶界的析出相導(dǎo)致晶界強度降低，從而使合金的斷裂強度下降。

可見，稀土元素Er可以以固溶強化、彌散強化以及細化晶粒的方式改善合金的性能，但當添加量過高如超過0.6%(摩爾分數(shù))時，合金中將出現(xiàn)較多的析出相，這些析出相將在晶界聚集，使合金的性能下降。綜上所述，只有當合金中含有0.6%Er(摩爾分數(shù))時，細小的析出相主要彌散分布在晶粒內(nèi)，試樣具有明顯的塑性，且在壓縮過程中，試樣不再斷裂，合金的性能良好。

2.3 合金的顯微結(jié)構(gòu)

圖 5(a)所示為 Ti-16Al-27Nb-0.6Er合金的 TEM像。從圖5(a)可以清晰地分辨出3個相，即黑色板條、灰色板條和直徑為400 nm左右的黑色顆粒狀析出相。表3所列為通過能譜分析獲得的各相化學(xué)成分。由表3可知，3種組成的相含有的元素種類相同，都由Ti、Al、Nb和Er組成，但其含量相差較大。在黑色板條和灰色板條相中均固溶有元素Er，但含量低于合金中Er的平均含量。而黑色析出相主要由元素Er組成，其含量高達75.8%。可見，這是一種富Er的析出相。

通過電子衍射分析可知，黑色板條相為具有體心立方結(jié)構(gòu)的B2相，其晶格常數(shù)為3.5 ?；灰色板條相為具有正交結(jié)構(gòu)的O相，其晶格常數(shù)a、b和c分別為6.68、10.54和11.4 ?。圖5(b)和(c)所示分別為黑色板條和灰色板條相沿[001]晶帶軸的選區(qū)電子衍射譜。可見，灰色相在[100]方向具有周期為13.36 ?的調(diào)制結(jié)構(gòu)。

圖5(a)所示的黑色顆粒即為圖4中所示的白色顆粒狀析出相。圖6所示為繞[110]方向旋轉(zhuǎn)不同角度后富Er析出相的選區(qū)電子衍射譜，旋轉(zhuǎn)角度分別為10.0°和25.3°。通過三維重構(gòu)，可以確定該相具有體心立方倒易點陣，因此，富Er相具有面心立方結(jié)構(gòu)，且晶格常數(shù)為 5.575 ?，可以推出，其{112}面的面間距為2.276 ?。由能譜分析可知，富Er相中Ti、Al和Nb 3種元素的摩爾分數(shù)之和與元素 Er的摩爾分數(shù)之比接近1∶3，由此可以推測富Er相為具有面心立方結(jié)構(gòu)的(AlTiNb)Er3。從晶帶軸的衍射譜還可以發(fā)現(xiàn)，富Er相沿〈110〉和<001>方向具有周期調(diào)制結(jié)構(gòu)，其調(diào)制周期分別為原周期的4倍和2倍。圖6(b)所示為富Er相沿晶帶軸方向的高分辨圖像。從圖6(b)可以看出，在〈110〉方向具有4倍于原周期的調(diào)制結(jié)構(gòu)。從高分辨圖像中可得{112}的面間距為2.227 ?，與理論計算值非常接近。

圖5 Ti-16Al-27Nb-0.6Er合金的TEM像及選區(qū)電子衍射譜Fig.5 TEM image of Ti-16Al-27Nb-0.6Er (a) and SAD patterns of dark strip along [001] (b) and grey strip along[001] (c)

圖 6 富Er相沿不同晶帶軸的選區(qū)衍射譜及沿晶帶軸的高分辨圖像Fig.6 Er-rich phase SAD patterns along different axis (a)and HTEM image along direction (b)

表3 合金各相的化學(xué)組成Table3 Chemical compositions of phases in alloy

3 結(jié)論

1) 在 Ti-16Al-27Nb合金中添加適量的稀土元素Er可以改變合金的顯微組織和力學(xué)性能。

2) 元素 Er以固溶形式或形成富 Er相的形式存在。當含量較低時，Er主要以固溶形式存在于合金中，合金由O、α2和B2相組成；當Er含量增加時，在合金中逐漸析出富Er相并隨著Er含量的增加而長大。

3) 元素Er具有細晶強化、固溶強化和彌散強化效果，對合金的力學(xué)性能具有重要影響。當Er含量較低時，晶界強化效果明顯；當Er含量達到0.6%(摩爾分數(shù))或繼續(xù)增加時，析出相尺寸增大并可在晶界析出，導(dǎo)致合金晶界強度降低，從而使合金的性能下降。0.6%Er(摩爾分數(shù))合金具有優(yōu)良的塑性。

4) 合金中析出的富 Er相具有面心立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為 5.575 ?，沿〈110〉和〈001〉方向具有周期調(diào)制結(jié)構(gòu)，其調(diào)制周期分別為原周期的4倍和2倍。

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Effect of Er on microstructure and properties of Ti-16Al-27Nb alloy

SUN Yan-ran, DUAN Hui-ping, KANG Ning
(School of Materials Science and Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China)

Rare earth element Er was added into Ti-16Al-27Nb alloy to improve the mechanical properties of the alloy.The effects of Er on the microstructure and properties of Ti-16Al-27Nb alloy were investigated. The results show that the grain size of the alloy can be refined by the trace addition of Er, but the main phase constituent of the alloy cannot be changed, i.e., the alloy basically consists of B2, α2and O phases. When the content of Er additive is very low, Er will solute in the alloy while the content of Er additive is about 0.6% (mole fraction), fine Er-riched particles with face-centered cubic structure will precipitate homogeneously in the matrix. With the increase of the content of Er additive,the Er-riched phase will grow up obviously and segregate along the grain boundaries, which deteriorates the mechanical properties of the alloy. Based on the experimental results, conclusion can be drawn that solid solution strengthening and dispersion strengthening are the main mechanisms for Er element to improve the mechanical properties of the alloy. The alloy with 0.6% Er (mole fraction) shows excellent plastic deformation ability.

Ti-Al-Nb alloy; Er; microstructure; mechanical properties

TG146.2

A

1004-0609(2011)11-2769-06

2010-10-25；

2011-03-25

段輝平，副教授，博士；電話：010-82339822；E-mail：hpduan@buaa.edu.cn

(編輯 陳衛(wèi)萍)