戚運(yùn)蓮，曾立英，侯智敏，洪 權(quán)，盧亞鋒，趙 彬

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

1 前言

鈦合金密度小、比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能強(qiáng)，具有良好的高溫和低溫力學(xué)性能，是一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料，已廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、民用等各個(gè)領(lǐng)域。隨著航空航天和尖端武器的發(fā)展，鈦合金鑄件得到越來(lái)越多的應(yīng)用。尤其是近年來(lái)鈦精密鑄造技術(shù)的發(fā)展，使得批量鑄造生產(chǎn)一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝備零件成為可能。采用這一近凈成形技術(shù)可以提高材料利用率，縮短生產(chǎn)周期，使裝備零件的制造成本大大降低。目前我國(guó)航空航天工業(yè)的鈦鑄件80%以上采用 Ti-6Al-4V(TC4)合金［1－4］。

相對(duì)于其他高強(qiáng)工程材料，鈦合金的彈性模量低，約為鋼的1/2，一般在110～125 GPa之間，使得按照剛度設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)件比按強(qiáng)度設(shè)計(jì)的零件要顯得厚大笨重一些。而對(duì)于細(xì)長(zhǎng)和薄壁零件，由于鈦合金剛性差，在使用過(guò)程中容易變形，因此如何提高鈦合金的綜合性能是研究者一直關(guān)心的問(wèn)題。一般來(lái)講，合金的彈性模量主要與合金成分和相組成有關(guān)。對(duì)于一種合金材料，只有經(jīng)合金化后能形成顯著性能差異的第二相時(shí)，彈性模量才會(huì)有較明顯的變化。研究表明，合金中形成化合物如TiB、TiC及Ti3Al時(shí)，可明顯提高彈性模量;此外，α穩(wěn)定元素含量和α相體積分?jǐn)?shù)增加，也能提高彈性模量。由于B元素在鈦合金中主要以 TiB相的形式存在，而TiB相的彈性模量高達(dá)350～550 GPa，因此其存在于鈦合金中能顯著提高鈦合金的彈性模量。添加微量B元素將傳統(tǒng)鈦合金鑄件晶粒尺寸細(xì)化一個(gè)數(shù)量級(jí)，人們發(fā)現(xiàn)向傳統(tǒng)鈦合金中加入少量的B，其顯微組織及相關(guān)性能都會(huì)產(chǎn)生重大變化。首先，晶粒得以細(xì)化，強(qiáng)度和剛度都提高了，這就有可能研發(fā)出新型且經(jīng)濟(jì)適用的加工工藝，提升傳統(tǒng)鈦合金的性能［5－8］。

本研究主要對(duì)TC4/B鈦合金鑄棒的組織和性能進(jìn)行考察，期望該材料能夠獲得較為廣泛的應(yīng)用。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用原材料為海綿鈦、鋁豆、純釩、純硼粉、鈦箔。將這些原料按一定比例混合壓制成電極塊，配制出含B 0.2%、0.5%、1.0%的鈦基復(fù)合材料。為保證材料成分均勻，在感應(yīng)熔煉爐中熔煉1次，在非自耗真空電弧熔煉爐中，采用電磁攪拌熔煉，冷卻后翻轉(zhuǎn)合金鑄錠，重熔，反復(fù)熔煉4次。之后采用紫銅模具進(jìn)行ZTC4/TiB鑄棒澆鑄。從鑄棒上線切割φ8 mm×10 mm試樣，用于顯微組織分析;線切割φ8 mm×40 mm試樣，用于彈性模量和拉伸性能測(cè)試。對(duì)鑄棒進(jìn)行熱等靜壓處理，制度為:溫度920～930℃，氬氣壓力110～120 MPa，氬氣純度為99.995%，時(shí)間為2～3 h。在熱等靜壓處理后的鑄棒上取樣進(jìn)行室溫拉伸性能檢測(cè)。

3 結(jié)果與討論

3.1 B對(duì)TC4/B鈦合金鑄棒彈性模量的影響

表l列出了TC4/B鈦合金鑄棒的彈性模量隨B含量的變化。由表1可以看出，未添加B元素的鑄態(tài)TC4鈦合金的彈性模量為108 GPa，添加B元素后鑄態(tài)TC4鈦合金的彈性模量明顯增大，彈性模量超過(guò)120 GPa，提高了15.7%～34.3%。這是由于生成了TiB增強(qiáng)相。隨著B(niǎo)元素添加量的增加，TC4鈦合金鑄棒的彈性模量呈現(xiàn)先提高再降低的現(xiàn)象，升高和降低的幅度分別為20 GPa和15 GPa。B元素添加量為0.5%時(shí)，TC4鈦合金鑄棒的彈性模量達(dá)到最高值145 GPa。

表1 TC4/B鈦合金鑄棒彈性模量Table 1 Elastic modulus of as-cast TC4/B titanium bar

3.2 B對(duì)TC4/B鈦合金組織及斷口形貌的影響

B元素含量對(duì)TC4鈦合金鑄態(tài)顯微組織的影響如圖1所示。可以看出，顯微組織由片層α、晶界β及第二相(TiB)組成，在Ti基體上析出大量第二相(TiB)并聚集在晶界上呈鏈狀分布，隨B含量增加，第二相的體積分?jǐn)?shù)明顯增加。由圖1a、c、e可以看出，添加的B元素越多，顯微組織細(xì)化效果越明顯，當(dāng)B含量為0.2%時(shí)(圖1b)，晶粒內(nèi)部α形態(tài)為又長(zhǎng)又粗大板條狀，當(dāng)B含量為0.5%時(shí)(圖1d)，晶粒內(nèi)部α形態(tài)細(xì)化為短粗板條，當(dāng)B含量為1.0%時(shí)(圖1f)，晶粒內(nèi)部α形態(tài)細(xì)化為針狀和細(xì)長(zhǎng)板條。添加B元素不僅能夠細(xì)化TC4鈦合金的晶粒，而且還能細(xì)化晶粒內(nèi)部片層α的尺寸［9］。

圖1 不同B含量的TC4/B鈦合金鑄棒顯微組織Fig.1 Microstructures of as－cast TC4/B titanium bar and its variation with B content

TC4/B鈦合金鑄棒室溫拉伸宏觀和微觀斷口形貌如圖2所示。從宏觀斷口(圖2a、c)上可以看到，斷口表面平整，都無(wú)明顯頸縮現(xiàn)象，宏觀斷面上呈沿晶斷裂，可見(jiàn)二次裂紋，斷裂起源位置不明顯，邊緣是與拉伸軸線約成45°方向的剪切唇;而圖2e斷面更平坦一些，可以看到一些小空洞，無(wú)二次裂紋。從微觀組織(圖2b、d)來(lái)看，整個(gè)斷口上有明顯的撕裂棱，圖2b斷面上有大小不等的韌窩且韌窩較深，圖2d韌窩較淺，斷面成沿晶斷裂，并伴有沿晶二次裂紋，為典型的延性沿晶斷裂。圖2f可以看出，斷面有解理小平面，還可以看到大量的長(zhǎng)條狀斷裂平面。經(jīng)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，這些長(zhǎng)條狀斷面與合金顯微組織中片層狀α相對(duì)應(yīng)，可見(jiàn)斷裂是沿片層狀α相進(jìn)行的。但圖2f中也有大量的淺韌窩存在，為混合型斷裂［10－12］。

圖2 TC4/B鈦合金鑄棒室溫拉伸斷口形貌Fig.2 SEM images of fracture surface of as－cast TC4/B titanium bar

3.3 B對(duì)熱等靜壓態(tài)TC4/B鈦合金性能的影響

TC4/B鈦合金鑄棒經(jīng)熱等靜壓處理后的室溫力學(xué)性能見(jiàn)2。由表2可以看出，隨著B(niǎo)元素添加量的增加，TC4鈦合金鑄棒的抗拉強(qiáng)度明顯提高;B元素添加量為0.2%時(shí)，抗拉強(qiáng)度為995 MPa，B元素添加量為0.5%時(shí)，抗拉強(qiáng)度為1045 MPa，提高了5%;B元素添加量增加到1.0%時(shí)，抗拉強(qiáng)度為1205 MPa，提高了21.1%。同時(shí)，屈服強(qiáng)度變化趨勢(shì)與抗拉強(qiáng)度相同，提高幅度約為19.7%。而延伸率與斷面收縮率的變化與強(qiáng)度相反。隨著B(niǎo)元素添加量的增加，TC4/B鈦合金鑄棒的延伸率逐漸降低，在B元素添加量由0.2%增加到0.5%時(shí)，延伸率和斷面收縮率分別約降低9.3%和19.4%。當(dāng)B元素添加量為1.0%時(shí)，延伸率有很大降低，降低了65.1%，斷面收縮率也降低了60.2%。綜上所述，隨著B(niǎo)元素添加量的增加，增強(qiáng)相提高了合金強(qiáng)度，也大大降低了其塑性，并且，隨著添加量的增加這種影響越來(lái)越大。塑性降低主要是因?yàn)锽含量繼續(xù)增大時(shí)，TiB相顆粒的體積分?jǐn)?shù)也增大，脆硬的TiB相聚集在晶界處，抵消了晶粒細(xì)化的效果，降低了合金的塑性［9］。

表2 TC4/B鈦合金鑄棒熱等靜壓處理后室溫力學(xué)性能Table 2 Room temperature tensile properties of as－cast TC4/B titanium bar after HIP

4 結(jié)論

(1)添加B元素后形成的TiB相提高了TC4/B鈦合金鑄棒的彈性模量，B元素添加量為0.2%～1.0%范圍內(nèi)，合金彈性模量提高15%～30%。TiB增強(qiáng)相在提高材料強(qiáng)度的同時(shí)，大大降低了材料的塑性，并且，隨著添加量的增加這種影響越來(lái)越大。

(2)TC4/B鈦合金鑄態(tài)顯微組織由片層α、晶界β及第二相(TiB)組成，第二相(TiB)聚集在β晶界上呈鏈狀分布，隨B含量增加，顯微組織細(xì)化效果越明顯。

(3)B含量為0.2%～0.5%，TC4/B鈦合金鑄棒宏觀斷口表面平整，無(wú)明顯頸縮現(xiàn)象，可見(jiàn)二次裂紋，微觀斷口有明顯的撕裂棱及韌窩特征，為典型的延性沿晶斷裂;B含量為1.0%，微觀斷面有解理小平面及大量的長(zhǎng)條狀斷裂平面，但也有大量的淺韌窩存在，為混合型斷裂。

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