周　黔，羅　倩，趙　鵬，朱郎平，南　海，李建崇

(中航工業(yè)北京航空材料研究院，北京　100095)

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長時間熱暴露對Ti-24Al-15Nb-1Mo合金組織和性能的影響

周黔，羅倩，趙鵬，朱郎平，南海，李建崇

(中航工業(yè)北京航空材料研究院，北京100095)

采用熔模精密鑄造及熱等靜壓技術(shù)制備Ti-24Al-15Nb-1Mo合金模擬件，然后在600、650、700 ℃大氣氛圍下，經(jīng)過100、300、500 h熱暴露，取樣研究其微觀組織和室溫拉伸性能的變化。結(jié)果表明，在熱暴露過程中，Ti-24Al-15Nb-1Mo合金的非平衡組織逐漸向平衡態(tài)轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致自身組織分解、析出、粗化等一系列的轉(zhuǎn)變，從而對合金的力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響。經(jīng)熱暴露后，其抗拉強(qiáng)度從863 MPa下降到最低742.7 MPa，塑性也有所下降，延伸率相對熱等靜壓態(tài)的最大下降量為56%。

Ti-24Al-15Nb-1Mo合金；熱暴露；微觀組織；拉伸性能

0　引　言

金屬間化合物材料作為一種新型高溫結(jié)構(gòu)材料，已經(jīng)開始應(yīng)用于航空航天、兵器裝備、車輛工程和石油化工等領(lǐng)域。以Ti3Al為基的金屬間化合物具有低的密度、高的比強(qiáng)度和優(yōu)異的高溫使用性能，被認(rèn)為是具有廣泛應(yīng)用前景的新一代高溫結(jié)構(gòu)材料。但是，由于其室溫塑性低、加工成形難，限制其實際應(yīng)用[1]。

Ti3Al基合金是使用溫度在600～750 ℃之間的發(fā)動機(jī)高溫結(jié)構(gòu)材料之一，須經(jīng)受長期、高溫大氣熱暴露考驗。因此，Ti3Al合金需對其經(jīng)歷長期高溫?zé)岜┞逗蟮慕M織及力學(xué)性能變化規(guī)律進(jìn)行深入研究。高溫鈦合金在500 ℃以上長期暴露后，表面就會氧化形成富氧脆性層。Ti3Al合金的高溫抗氧化性能雖優(yōu)于高溫鈦合金，但在700 ℃服役一定時間后性能明顯下降[2-3]，國內(nèi)外對變形Ti3Al合金組織和性能已進(jìn)行了大量研究[4-5]。精密鑄造是一種近凈成形技術(shù)，具有成本低的特點，是TiAl合金非常重要的成形手段。而對鑄造Ti3Al合金組織和性能的穩(wěn)定性研究較少。Ti-24Al-15Nb-1Mo合金是一種典型的Ti3Al合金，目前，國內(nèi)尚缺乏對其高溫長時間暴露后組織及性能變化的深入了解[6]。本實驗對比了在600、650、700 ℃大氣氛圍下，經(jīng)過100、300、500 h長時間熱暴露后，鑄造Ti-24Al-15Nb-1Mo合金微觀組織和力學(xué)性能變化，揭示其內(nèi)在規(guī)律，為鑄造Ti-24Al-15Nb-1Mo合金的工業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1　實　驗

實驗材料為真空自耗爐熔煉的Ti-24Al-15Nb-1Mo合金(原子分?jǐn)?shù)，%)鑄錠，采用熔模精密鑄造技術(shù)制備該合金的模擬件，模擬件示意圖見圖1。

圖1　澆注Ti-24Al-15Nb-1Mo合金環(huán)狀模擬件示意圖Fig.1　Schematic diagram of Ti-24Al-15Nb-1Mo alloy simulation

對模擬件進(jìn)行熱等靜壓處理，隨爐冷卻后用電火花線切割從模擬件上切取φ8 mm×50 mm的樣品，均分為10組。取1組作為未處理的原始對比樣，其余9組在大氣氣氛下，于箱式電阻爐中進(jìn)行600 ℃×100、300、500 h，650 ℃×100、300、500 h，700 ℃×100、300、500 h熱暴露處理。每一個條件取1個樣，在光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡下觀察橫截面的組織。取4個樣，進(jìn)行室溫拉伸性能測試，結(jié)果取4個樣的平均值。

2　結(jié)果與分析

2.1長時間熱暴露對組織的影響

圖2是Ti-24Al-15Nb-1Mo合金熱暴露前的顯微組織。從圖中可以看出，熱等靜壓態(tài)Ti-24Al-15Nb-1Mo合金組織為魏氏組織，由粗大的原始β晶粒和晶內(nèi)的針狀α2+β集束組成。晶界α2+β束集是α2相在原始β晶界處形核，發(fā)生β→α2+β轉(zhuǎn)變而形成的。由于合金鑄造過程中冷卻速度較快，α2相也能夠在晶粒內(nèi)部形核，形成的片層α2相與片層間β相組成α2+β束集[7]。

圖2　Ti-24Al-15Nb-1Mo合金熱暴露前的微觀組織Fig.2　Microstructures of Ti-24Al-15Nb-1Mo alloy without thermal exposure

圖3是Ti-24Al-15Nb-1Mo合金經(jīng)不同溫度、不同時間熱暴露后的金相照片。從圖中可以看出，熱暴露處理后合金的組織依然為由晶界α2+β束集、晶內(nèi)的α2+β片層和晶界α2相組成的細(xì)片層狀魏氏體組織，但相形態(tài)發(fā)生了一些變化。熱暴露處理后，晶粒內(nèi)細(xì)小的α2板條充分析出，板條發(fā)生粗化，晶界處更多的連續(xù)α2相斷開。

圖4是Ti-24Al-15Nb-1Mo合金經(jīng)不同溫度、不同時間熱暴露后的SEM照片。從圖4可以看出，隨著熱暴露溫度的增加，晶界片層α2+β束集中α2相長大，α2相片層間距明顯增加；晶粒內(nèi)部細(xì)小片層α2相長大。隨著熱暴露時間的延長，晶界上連續(xù)狀α2相被打斷粗化成短棒，α2+β束集長度減小，片層變粗。因此，在熱暴露處理后，晶界處板條有明顯的粗化現(xiàn)象。

2.2長時間熱暴露對室溫拉伸性能的影響

表1為Ti-24Al-15Nb-1Mo合金熱等靜壓態(tài)和經(jīng)過不同溫度、不同時間熱暴露后的室溫拉伸性能。從表中可以看出，經(jīng)熱暴露處理后，Ti-24Al-15Nb-1Mo合金的抗拉強(qiáng)度有一定程度降低，從863 MPa下降到最低742.7 MPa；塑性也下降，延伸率相對熱等靜壓態(tài)的最大下降量為56%。說明熱暴露處理對Ti-24Al-15Nb-1Mo合金的拉伸性能產(chǎn)生了較大影響。對比表1中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著熱暴露溫度的增加，Ti-24Al-15Nb-1Mo合金的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)減小趨勢，在600～650 ℃時，抗拉強(qiáng)度平緩地降低，在650 ℃之后，抗拉強(qiáng)度急劇下降；熱暴露時間為100、500 h時，合金的延伸率隨著溫度的增加而減小，而300 h時合金的延伸率隨著溫度的增加而增加。隨著熱暴露處理時間的延長，合金的抗拉強(qiáng)度整體呈現(xiàn)降低的趨勢，但是在600 ℃熱暴露，抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先降低后升高；在600、650 ℃熱暴露，合金的延伸率表現(xiàn)出隨著熱暴露時間的延長先減小后增加，但是在700 ℃則是隨著時間的延長先增加后減少。

圖3　Ti-24Al-15Nb-1Mo合金經(jīng)不同溫度、不同時間熱暴露后的金相照片F(xiàn)ig.3　Metallographs of Ti-24Al-15Nb-1Mo alloy after thermal exposure under different temperatures and time

圖4　Ti-24Al-15Nb-1Mo合金經(jīng)不同溫度、不同時間熱暴露后的SEM照片F(xiàn)ig.4　SEM micrographs of Ti-24Al-15Nb-1Mo alloy after thermal exposure under different temperatures and time

表1　Ti-24Al-15Nb-1Mo合金經(jīng)不同溫度、不同時間熱暴露后的室溫拉伸性能Table 1　Room temperature tensile properties of Ti-24Al-15Nb-1Mo alloy after thermal exposure under different temperatures and time

結(jié)合Ti-24Al-15Nb-1Mo合金的微觀組織分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生上述性能差異的原因是：熱等靜壓態(tài)的Ti-24Al-15Nb-1Mo合金微觀組織處于一種亞穩(wěn)態(tài)，含有過量的α2板條，因此，在熱暴露過程有逐步向平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢。這種轉(zhuǎn)變在該合金中表現(xiàn)為少量亞穩(wěn)定β相析出α2相，已存在的α2板條通過元素擴(kuò)散轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑢娱g距增大的α2板條。這種α2板條的粗化使得組織的裂紋萌生抗力減小，合金的變形抗力降低。組織中α2相的粗化現(xiàn)象，導(dǎo)致合金的抗拉強(qiáng)度隨著熱暴露溫度的升高和時間的延長呈現(xiàn)減小的趨勢。晶界α2相的粗化則使得晶界協(xié)同作用減弱，塑性變形不易進(jìn)行，同時粗化使得α2相所含氧逐步釋放到了合金組織中，使得合金的室溫塑性降低。組織中α2相變寬、變短，增強(qiáng)了對裂紋擴(kuò)展的鈍化作用，又使得合金的室溫塑性增加。

綜上，Ti-24Al-15Nb-1Mo合金在熱暴露過程中，試樣非平衡組織逐漸向平衡態(tài)轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致自身組織分解、析出、粗化等一系列的轉(zhuǎn)變，從而對合金的力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響。

3　結(jié)　論

(1)在Ti-24Al-15Nb-1Mo合金熱暴露過程中，非平衡組織逐漸向平衡態(tài)轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致自身組織分解、析出、粗化等一系列的轉(zhuǎn)變，從而對合金的力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響。

(2)經(jīng)熱暴露處理后，合金的抗拉強(qiáng)度有一定程度降低，從863 MPa下降到最低742.7 MPa；塑性也下降，延伸率相對熱等靜壓態(tài)的最大下降量為56%。

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Effects of Thermal Exposure on Microstructures and Tensile Properties of Ti-24Al-15Nb-1Mo Alloy

Zhou Qian,Luo Qian,Zhao Peng,Zhu Langping,Nan Hai,Li Jianchong

(AVIC Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)

Investment casting technology was adopted to prepare Ti-24Al-15Nb-1Mo alloy.With prolong thermal exposure of 100，300，500 hours in 600,650,700 ℃ air atmosphere, the changes in microstructures and room temperature tensile strength were studied. The results show that the unbalanced microstructures turn to balanced and then get decomposition, precipitation and coarsen during thermal exposure. Thus, the microstructures have great influence on the mechanical properties of the alloy. After the thermal exposure, tensile strength decreases from 863 MPa to 742.7 MPa, ductility reduced by 56% compared with it after hot isostatic pressing.

Ti-24Al-15Nb-1Mo alloy; thermal exposure; microstructure; mechanical properties

2016-04-14

周黔(1969—),男，高級工程師。

TG146.2+3

A

1009-9964(2016)03-0030-05