王艷晶，柳 樂，宋玫錦

(沈陽航空航天大學 材料科學與工程學院，沈陽110136)

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Y微合金化高鈮TiAl基合金微觀組織研究

王艷晶，柳 樂，宋玫錦

(沈陽航空航天大學 材料科學與工程學院，沈陽110136)

采用真空非自耗電弧爐制備了名義成分為Ti-45Al-8Nb-xY(x=0,0.1,0.3,原子分數/%，下同)的合金，利用光學顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)及能譜分析儀(EDS)觀察了Y的添加與均勻化熱處理制度對合金組織的影響。結果表明：稀土Y可以細化(α2+γ)層片團，較多的Y加入量(0.3%)細化效果顯著；Y在合金中可形成分布在層片團晶內和晶界的粒狀及棒狀Y2O3和YAl2相；Y提高了Ti-45Al-8Nb合金的Tα轉變溫度，使同一均勻化熱處理工藝下三種高鈮TiAl基合金的組織差別較大。

高鈮TiAl合金；Y微合金化；均勻化處理；微觀組織

TiAl基合金具有低密度、高比強度、高比剛度、良好的抗蠕變性能等，被認為是航空航天推進系統(tǒng)高溫結構部件的重要候選材料，在航空發(fā)動機低壓渦輪葉片、旋流器以及航天飛機的蒙皮等高溫部件上具有廣泛的應用前景，同時也是汽車發(fā)動機用增壓渦輪和排氣閥等零件的理想材料[1-3]，但由于其室溫脆性及高溫抗氧化性不強阻礙了它的應用。Ti-Al基合金的性能對其顯微組織相當敏感，一般認為, 具有較小晶粒(50～250μm)、較薄層片(50～500nm)、鋸齒狀晶界的全層片組織有較好的綜合力學性能[4]。合金化、熱處理、熱機械處理等手段被用來改善Ti-Al基合金的組織和性能[5-8]。研究發(fā)現(xiàn)[8,9]，Nb可以顯著改善TiAl合金的高溫抗氧化性，利于合金塑性提高，高鈮TiAl合金成為TiAl基合金的發(fā)展趨勢之一。稀土元素由于具有合金熔體凈化作用和合金的細化作用而被廣泛應用于合金中，近年來，稀土Y元素被用于高鈮TiAl基合金的研究中[10-12]，研究發(fā)現(xiàn)，Y可以提高合金氧化層的黏附性，顯著提高合金的高溫抗氧化性。含Y合金的研究主要集中在熱機械處理后性能方面，目前，關于含Y高鈮TiAl基合金的鑄態(tài)和均勻化處理后微觀組織的研究報道較少，本工作以Ti-45Al-8Nb合金為基，研究Y微合金化及均勻化處理工藝對合金顯微組織的影響，并進一步探索Y對微觀組織的作用機制。

1 實驗

實驗選取純鈦棒(99.9%，質量分數，下同)、粒狀純鋁(99.9%)、片狀純釔(99.9%)、NbAl中間合金為原料，采用真空非自耗電弧爐熔煉名義成分為Ti-45Al-8Nb-xY(x=0,0.1,0.3，原子分數/%，下同)的合金紐扣鑄錠，為使合金成分均勻，每個成分的合金均反復熔煉4次以上。在每個鑄錠的相同位置線切割取樣。對合金進行三種不同制度的均勻化處理，處理工藝如表1所示。利用光學金相顯微鏡觀察試樣的原始組織和熱處理后的組織。采用Cu靶X射線衍射儀(XRD)進行合金的相組成分析，利用掃描電鏡背散射電子成像模式(Scanning Electronic Microscope-Backscattered Electron Image, SBSE)結合能譜分析(EDS)進行相的形貌觀察及成分分析。金相和SBSE觀察用試樣按照標準機械拋光方法制備，腐蝕液為5mL HF+10mL HNO3+85mL H2O。

表1 Ti-45Al-8Nb基合金的均勻化處理工藝

2 結果與討論

2.1 合金的鑄態(tài)顯微組織分析

圖1為Ti-45Al-8Nb-xY(x=0,0.1,0.3)合金的鑄態(tài)光學顯微組織。由圖1(a)可見，Ti-45Al-8Nb合金的鑄態(tài)組織為粗大的全片層組織，層片團生長的方向性明顯,具有柱狀晶特征；加入0.1%Y后，合金的組織仍為全片層組織(圖1(b))，但層片團尺寸變小，并且在組織中出現(xiàn)少量尺寸細小的等軸γ相；隨著Y加入量增至0.3%，層片團生長的柱狀晶特征明顯減弱，層片團之間的γ相數量增多,組織仍為全片層組織(圖1(c))。

圖1 鑄態(tài)Ti-45Al-8Nb-xY合金的顯微組織 (a)x=0；(b)x=0.1；(c)x=0.3Fig.1 Microstructure of as-cast Ti-45Al-8Nb-xY alloys (a)x=0;(b)x=0.1;(c)x=0.3

2.2 不同熱處理制度對合金組織的影響

圖2～4為Ti-45Al-8Nb-xY(x=0,0.1,0.3)合金均勻化處理后的光學顯微組織。由圖2可見，經過工藝I的相對較低溫度下較長時間的均勻化處理后，在Ti-45Al-8Nb合金中獲得全片層組織，層片團尺寸較鑄態(tài)組織有所減小，在較大尺寸層片團間存在一些小尺寸的層片團，這些小尺寸層片團層片較粗，另外，組織中存在極少量形態(tài)不規(guī)則的γ相(圖2(a))；在加入0.1%Y后的合金中獲得的組織介于近層片和雙態(tài)組織之間，組織內含有較大的層片團、較小的層片團、一些等軸γ相和一些白色的相(圖2(b))；在加入0.3%Y的合金中獲得的組織為由層片團和等軸γ相構成的雙態(tài)組織，組織內也存在一些白色相，與加入0.1%Y的合金相比，該組織中層片團尺寸減小，而等軸γ相尺寸增大(圖2(c))。在許正芳等[13]進行的對高鈮TiAl基合金的熱處理研究中發(fā)現(xiàn)了類似的白色相，高倍背散射圖像顯示該白色相為層片厚度細小的層片團。

圖3為經過工藝Ⅱ的相對較高溫度下較短時間均勻化處理后三種合金的顯微組織，可以看出，Ti-45Al-8Nb及加入0.1%Y的合金組織均為全片層組織，個別大尺寸層片團之間產生了小的層片團，大層片團內的層片間距明顯細化(圖3(a),(b))；加入0.3%Y的合金組織介于近層片組織和雙態(tài)組織之間，此時的等軸γ相數量較工藝I中的少，且尺寸減小(圖3(c))。與工藝I相比，三種合金中層片團尺寸均較大。

圖4是經過工藝Ⅲ均勻化處理后三種合金的光學顯微組織，該工藝與工藝Ⅱ加熱溫度相同，但保溫時間較長。此時，在Ti-45Al-8Nb及加入0.1%Y合金的全片層組織中存在較多層片間距較大、尺寸較小的層片團，層片團平均尺寸減小(圖4(a),(b))；加入0.3%Y的合金組織仍介于近全片層和雙態(tài)組織之間，但與工藝Ⅱ的組織相比，其等軸γ相尺寸增大，層片團的尺寸減小(圖4(c))。

圖3 Ti-45Al-8Nb-xY合金經工藝Ⅱ均勻化處理后的顯微組織 (a)x=0；(b) x=0.1；(c)x=0.3 Fig.3 Microstructure of the Ti-45Al-8Nb-xY alloys after homogenization treatment by processⅡ (a)x=0;(b)x =0.1;(c)x=0.3

圖4 Ti-45Al-8Nb-xY合金經工藝Ⅲ均勻化處理后的顯微組織 (a)x=0；(b) x =0.1；(c)x=0.3Fig.4 Microstructure of the Ti-45Al-8Nb-xY alloys after homogenization treatment by process Ⅲ (a)x=0;(b)x=0.1;(c)x=0.3

經過工藝Ⅲ均勻化處理后三種合金的XRD分析表明(圖5)，三種合金的組織中均含有α2-Ti3Al,γ-TiAl和β(B2)相，在加入Y的合金中還含有YAl2和Y2O3相。在合金的背散射圖像上(圖6)可觀察到白色粒狀與棒狀析出相彌散分布在晶界和晶內，隨著Y加入量的增多，釔化物數量增多，平均尺寸增大。SBSE-EDS分析表明(見圖7與表2)，白色析出物為富Y相。在背散射圖像上，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的β(B2)相襯度。

2.3 分析與討論

經過均勻化處理工藝Ⅲ的合金中存在的有序β(B2)相不是在均勻化處理過程中形成的，而是在鑄態(tài)合金中形成的[14]。根據平衡相圖[15]，TiAl-8Nb合金在平衡凝固過程中會經歷L→L+β→β→β+α→α→α+γ→ Lamellar(α2+γ)+γ的相變過程，由于實際凝固過程中合金冷卻速率較快，在β→α的轉變過程中作為β相穩(wěn)定元素的Nb富集在形成的α相晶界處來不及擴散均勻，冷卻到室溫時合金組織晶界處有序β相的存在,形成了晶界處的β(B2)偏析；一般認為[16]，存在β相穩(wěn)定元素的合金的凝固路線為L→β+L→β→β+α+γ→α+γ→Lamellar(α2+γ)+β(B2)+γ，因此Ti-45Al-8Nb合金的鑄態(tài)組織中包括大量的(α2+γ)層片團和晶界上少量的β(B2)相及γ相，由于γ相數量極少，獲得的組織是全片層組織。稀土Y對高鈮TiAl合金微觀組織的細化效果顯著，其作用機制被歸納為以下方面[17]：首先，稀土Y是表面活性元素，可以降低液態(tài)金屬的表面張力，生成晶核所要求的能量起伏就明顯減小，從而降低了形成臨界尺寸晶核所需的功，增加結晶核心；其次，Y的化學活性大，對氧原子有很強的親和力，凝固初期，Y易在固液界面前富集，形成穩(wěn)定的Y2O3氧化物從而抑制β相的晶核長大并促進β相的形核數量；另外，Y在固液界面的富集會造成結晶前沿的成分過冷，使領先相產生分枝，在晶界處出現(xiàn)偏析，阻礙晶界移動，降低晶體長大速度，從而細化晶粒。李寶輝等[18]在研究Y對TiAl基合金的作用時未發(fā)現(xiàn)Y2O3的存在，只發(fā)現(xiàn)了YAl2；郝志江[19]在研究中發(fā)現(xiàn)，含一定鈮的TiAl合金中加Y后組織中只形成YAl2，而在高鈮的O型合金中形成了Y2O3，但作者在前期進行的高鈮TiAl合金的鑄態(tài)組織研究中發(fā)現(xiàn)了YAl2和Y2O3的同時存在[20]，YAl2為高熔點化合物，其熔點高于1700℃，具有立方結構[20]，因此在液相凝固時可能作為異質形核核心。

圖5 經工藝Ⅲ均勻化處理后Ti-45Al-8Nb基合金的XRD譜Fig.5 XRD patterns of Ti-45Al-8Nb based alloys after homogenization treatment by process Ⅲ

圖6 Ti-45Al-8Nb-xY合金經工藝Ⅲ均勻化處理后的SBSE圖像 (a)x=0;(b)x=0.1;(c)x=0.3Fig.6 SBSE micrographs showing microstructure of Ti-45Al-8Nb-xY alloys after homogenization treatment by process Ⅲ (a)x=0;(b)x=0.1;(c)x=0.3

圖7 Ti-45Al-8Nb-xY合金中的富Y相 (a)x=0.1；(b)x=0.3 Fig.7 Y-rich phase in the Ti-45Al-8Nb-xY alloys (a)x=0.1;(b)x=0.3

在1260℃長時間均勻化處理后，名義成分為Ti-45Al-8Nb的合金獲得的組織為全片層組織，說明該溫度處于合金的Tα附近，而加入Y的合金獲得的組織是典型的雙態(tài)組織，說明該溫度處于合金的α+γ區(qū)域，因此加入Y后合金的相變溫度Tα提高。加入0.3%Y的合金中等軸γ相比加入0.1%Y的合金多，表明Y加入量越多，Tα升高得越多。在1280℃均勻化處理后，加入0.1%Y和0.3%Y的合金分別為全片層組織和近全片層組織，說明加入0.1%Y合金的Tα相變溫度高于1280℃，而加入0.3%Y合金的Tα相變溫度低于1280℃。當鑄態(tài)合金在高于Tα溫度進行保溫時，發(fā)生全片層組織向α相的轉變，即(α2+γ)→α+γ→α，由于鑄態(tài)層片非常穩(wěn)定，在緩慢加熱及保溫過程中形態(tài)完整的鑄態(tài)層片組織內α晶粒形核困難[21,22]，但在層片團的邊界等處能量較高，較易發(fā)生α相形核，熱處理溫度越高于Tα，過熱度越大，越有利于晶界處α晶粒的形成，此外，保溫時間越長，形成的新α相就越多，且α晶粒越大，從而在冷卻時獲得的層片團也越多，新形成的α晶粒成分較均勻，結構較完整，在隨后的冷卻過程中γ相形核驅動力小，因此層片間距較大；而在Tα以上保溫時，鑄態(tài)層片內通過原子擴散實現(xiàn)(α2+γ)→α+γ→α轉變，由于鑄態(tài)層片的穩(wěn)定性，該轉變過程緩慢，在保溫時間有限的情況下，α+γ→α轉變進行得不完整，獲得的α相成分不均，在隨后的冷卻過程中γ相析出容易，因而獲得的層片細小。在加入Y合金的鑄態(tài)組織中層片團尺寸較小，層片邊界較多，利于相變過程中新相的形核，因此熱處理后獲得的晶粒尺寸較小。

鑄態(tài)高鈮TiAl基合金組織中形成的β相在均勻化退火過程中由于Nb元素的偏析而具有一定的擴散激活能[23],從而具有一定的遷移速率,但這種擴散只在β相周圍很小的邊界層內,為此需要長時間的保溫,最終能夠充分擴散均勻使β相消失。許正芳等[13]研究多組元高鈮TiAl合金在α+γ相區(qū)退火時，認為β相以另外的方式消失：β相首先發(fā)生溶解,從其周圍的γ相和片層團L(α2+γ)中吸收Al而排出Ti ,優(yōu)先在β相和γ相以及β相和片層團L(α2+γ)的界面處形成α,從而在γ相和片層團L(α2+γ)的周圍出現(xiàn)了α,同時β相中Al含量增加,當其達到α相的成分時就轉變?yōu)棣痢ｋm然本實驗的均勻化處理溫度較高、時間較長，但β相仍然存在，因此可以認為其以遷移方式分解，由于保溫時間不夠長，β相沒有完全分解。

3 結論

(1)加入Y可以細化Ti-45Al-8Nb基合金的鑄態(tài)顯微組織，且隨著加入量由0.1%增加到0.3%，細化效果明顯提高。

(2)經過不同工藝的均勻化處理后，Ti-45Al-8Nb合金內的組織均為全片層組織；當均勻化處理溫度較低時，加入Y后的合金獲得的組織為雙態(tài)組織，當均勻化處理溫度較高時，加入0.1%Y的合金組織為全片層，加入0.3%Y的合金組織介于雙態(tài)組織和全片層組織之間。Y的加入提高了Ti-45Al-8Nb合金的相變溫度可能為引起上述組織變化的原因。

(3)Y在高鈮TiAl基合金中以富釔化合物的形式存在于層片團晶界和晶內，隨著Y加入量增多，釔化物數量增多，平均尺寸增大。

(4)高鈮TiAl基合金鑄態(tài)組織中形成的β(B2)偏析難以通過均勻化處理的方式消除。

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Microstructure of Y Micro-alloying TiAl Based Alloy with High Nb Content

WANG Yan-jing,LIU Le,SONG Mei-jin

(College of Material Science and Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

The nominal composition of Ti-45Al-8Nb-xY(x=0,0.1,0.3,atom fraction/%) alloys was prepared by the non-pole-consuming vacuum arc furnace. The effect of Y addition and different homogenization treatments on the microstructure of the TiAl-based alloys with high Nb content was investigated by using the optical microscope (OM), scanning electronic microscope (SEM), X-ray diffraction (XRD), energy dispersive spectroscope (EDS). The results show that (α2+γ) lamellar colonies are refined by the element Y and the refining effect is improved with the increase of Y addition. The Y distributes along the grain boundaries and internal of lamellar colonies in the form of Y2O3and YAl2particles. The increase of phase transformation temperatureTαcaused by the Y addition results in different microstructures formed in the TiAl-based alloys with high Nb content on the same homogenization process.

high Nb containing TiAl alloy;Y micro-alloying;homogenization treatment;microstructure

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.01.012

TG146.2+3

A

1001-4381(2015)01-0066-06

國家自然科學基金資助項目(50801047)

2013-05-28;

2014-07-05

王艷晶(1973—)，女，博士，副教授，目前從事Ti合金及TiAl基合金的研究工作，聯(lián)系地址：遼寧省沈陽市道義經濟開發(fā)區(qū)道義南大街37號沈陽航空航天大學材料科學與工程學院(110136)，E-mail: wangyj2008@gmail.com