林宗德，李省委

(閩南理工學(xué)院 工業(yè)機(jī)器人測控與模具快速制造福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 石獅，362700)

0 引 言

近二十年來，鈦及鈦合金越來越受到人們的廣泛關(guān)注[1-4]。鈦合金以其比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于航空航天、汽車、醫(yī)療等行業(yè)[5-8]。隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，對鈦合金的要求也越來越高。作為一種航空航天材料，鈦合金也存在著一些弊端。鈦合金應(yīng)用的主要限制是在高溫時與其它材料的化學(xué)反應(yīng)性差，此性質(zhì)迫使鈦合金與一般傳統(tǒng)的精煉、熔融和鑄造技術(shù)不同，甚至經(jīng)常造成模具的損壞[9-11]。而鈦合金價格昂貴也是限制其發(fā)展的一個關(guān)鍵因素。

鈦合金中的合金元素的種類及含量會對合金的組織形貌產(chǎn)生影響，而合金的組織形貌又會決定鈦合金的各項(xiàng)性能指標(biāo)[12]。Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系合金因其高的高溫強(qiáng)度、蠕變性能、疲勞強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性等，成為了當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的高溫鈦合金系[13-14]。高溫鈦合金的極限溫度在600 ℃左右，超過該溫度后，鈦合金的抗氧化性能和蠕變性能會急劇下降，因此，600 ℃也成了鈦合金的一個臺階[15]。對于Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系合金來說，由于是近α系鈦合金，如果合金基體中加入少量β相可提高合金的塑性[16]。而高溫鈦合金中的Ti、Al、Sn、Zr、Mo和Si這6種元素的含量對合金的性能有著重要影響[17]。近幾年來，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注鈦合金元素含量、熱處理等與合金性能之間的關(guān)系[18-19]。郭佳林等[20]研究了Mo對650 ℃高溫鈦合金組織和性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)Mo可以細(xì)化鈦合金的顯微組織，且能在較小幅度降低其室溫塑性的前提下，顯著提高其室溫強(qiáng)度，Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時,對鈦合金熱穩(wěn)定性能有很好的改善作用。朱郎平等[21]研究了熱處理對高溫鈦合金TG6鑄造組織及性能的影響，研究表明TG6合金在鑄態(tài)下為晶粒粗大的魏氏組織，組織中存在縮松缺陷，經(jīng)過750 ℃退火熱處理后，組織中β板條部分溶解,并析出(TiZr)6Si3硅化物，合金的室溫拉伸延伸率提高到5%以上。因此，本文選擇Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系合金為基礎(chǔ)材料，通過改變Sn的摻雜比例，制備出Ti-6Al-xSn-4Zr-1Mo-0.8Si-0.5B高溫鈦合金(x=2，4，6，8)，并對其形貌和力學(xué)性能進(jìn)行了分析研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

根據(jù)高溫鈦合金的總質(zhì)量和成分計(jì)算出各成分所需質(zhì)量，樣品制備原料分別選用塊狀純金屬，實(shí)驗(yàn)原料包括：0級海綿鈦(99.80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))、高純鋁塊(99.99%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))、高純錫塊(99.97%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))、海綿鋯(99.99%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))、純鉬(99.95%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))、純硅(99.50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))、B粉(99.50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))。

1.2 樣品的制備

選擇Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α合金，通過改變Sn的含量，制備4種不同Sn含量Ti-6Al-xSn-4Zr-1Mo-0.8Si-0.5B高溫鈦合金樣品，x分別取2，4，6和8，設(shè)計(jì)每組鈦合金樣品的質(zhì)量為1 200 g。制備過程如下：采用自購RVIM-3 型高活性合金真空感應(yīng)熔煉爐，將稱量好的原料加入到坩堝中，熔煉前先將模具預(yù)熱到350 ℃下3 h，保證不受水汽成分等影響，為了保證成分的均勻性，對鋼錠進(jìn)行3次翻轉(zhuǎn)和重熔，在熔煉過程中，充入氬氣為保護(hù)氣氛，在1 000 ℃下熔煉12 h后隨爐冷卻到室溫，將得到的樣品進(jìn)行線切割，最后采取拋光處理。

1.3 樣品的測試與表征

將制備的高溫鈦合金樣品切割成尺寸為10 mm×10 mm×5 mm的方塊試樣，選取SiC砂紙進(jìn)行打磨，采用丙酮超聲清洗干凈后進(jìn)行性能測試。采用X射線衍射儀(XRD，Bruker D8 Advance)對樣品進(jìn)行物相分析；使用透射電子顯微鏡(TEM，JEOL JEM- 2010F)和場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM，日立FE-4800型)對樣品的顯微結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行分析；采用Instron-5569型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)在室溫條件下對樣品的力學(xué)性能進(jìn)行測試分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

圖1為不同Sn摻雜比例的高溫鈦合金樣品的XRD譜圖。從圖1可以看出，4種高溫鈦合金樣品都結(jié)晶良好，且均為α相組合而成。樣品中雖然摻雜有Mo和Si等β相穩(wěn)定元素，但并未出現(xiàn)β相，這可能是因?yàn)樗鶕降暮辖鹪睾枯^少。

圖1 不同Sn摻雜比例的高溫鈦合金樣品的XRD譜圖Fig 1 XRD patterns of high temperature titanium alloys with different Sn doping ratios

2.2 SEM和TEM分析

圖2為不同Sn摻雜比例的高溫鈦合金樣品的SEM圖。從圖2可以看出，4種高溫鈦合金樣品均由板條α相組成，這一結(jié)果與XRD衍射結(jié)果相吻合。由圖2(a)～(d)可知，隨著Sn含量的增加，板條的寬度逐漸變大，這是由于Sn含量的增加導(dǎo)致了高溫鈦合金的相變溫度增加，因而在冷卻過程中高相變溫度的鈦合金其元素的擴(kuò)散速率更快，從而相變時間更長，α晶粒的生長時間就會更長，導(dǎo)致板條寬度增加[22]。

圖2 不同Sn摻雜比例的高溫鈦合金樣品的SEM圖Fig 2 SEM images of high temperature titanium alloys with different Sn doping ratios

為了更清楚地觀察Sn對鈦合金微觀組織的影響，通過透射電子顯微鏡對Sn含量為2%和8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的高溫鈦合金樣品進(jìn)行了微觀組織觀察。圖3為不同Sn摻雜比例的高溫鈦合金樣品的TEM譜圖。從圖3(a)可以看出，當(dāng)Sn含量為2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，高溫鈦合金中α板條的寬度在0.3 μm左右，并且板條中的位錯等缺陷并不明顯。從圖3(b)可以看出，當(dāng)Sn含量增加到8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，高溫鈦合金中α板條的寬度在0.6 μm左右，且在板條內(nèi)部同時出現(xiàn)大量位錯及層錯。說明Sn含量的增高，使得高溫鈦合金發(fā)生了晶格畸變，增加了位錯密度，而位錯和缺陷的存在對原子滑移產(chǎn)生了阻礙作用，使得高溫鈦合金的強(qiáng)度得到提升。即隨著Sn含量的增加，高溫鈦合金層錯能逐漸降低，位錯密度增加，強(qiáng)度得到提升。

圖3 不同Sn摻雜比例的高溫鈦合金樣品的TEM譜圖Fig 3 TEM spectra of high temperature titanium alloys with different Sn doping ratios

2.3 力學(xué)性能分析

對4種不同Sn摻雜比例的高溫鈦合金在常溫下進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，隨著Sn含量的增加，高溫鈦合金的延伸率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，當(dāng)Sn含量為8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，高溫鈦合金僅在延伸1.83%處就發(fā)生了斷裂，相比Sn含量為2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時的7.86%處，降低了76.72%。

圖4 不同Sn摻雜比例的高溫鈦合金樣品的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig 4 Tensile stress-strain curves of high temperature titanium alloys with different Sn doping ratios

將4種不同Sn摻雜比例的高溫鈦合金樣品的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率進(jìn)行匯總，結(jié)果如表1所示。由表1可知，隨著Sn含量的增加，高溫鈦合金的屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，延伸率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。當(dāng)Sn含量為8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，高溫鈦合金的屈服強(qiáng)度最大，為1466.74 MPa；抗拉強(qiáng)度最小，為1560.38 MPa；延伸率最小，僅為0.68%，相比Sn含量為2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時的6.13%，下降了88.91%。

表1 不同Sn摻雜比例的高溫鈦合金樣品的拉伸性能

圖5為不同Sn摻雜比例的高溫鈦合金樣品的拉伸斷口SEM圖。對比圖5(a)和(b)可以以發(fā)現(xiàn)，兩種高溫鈦合金拉伸斷口的韌窩都不太明顯，Sn含量為2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的合金的撕裂棱長比Sn含量為4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的合金更長，表明在拉伸過程中圖5(a)的形變量要多于圖5(b)。圖5(c)和(d)的斷面都相對平整，Sn含量為6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的合金的撕裂棱長比Sn含量為8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的合金更長，表明圖5和(d)在拉伸過程中發(fā)生的斷裂更為集中。

圖5 不同Sn摻雜比例的高溫鈦合金樣品的拉伸斷口SEM圖Fig 5 SEM images of tensile fracture of high temperature titanium alloys with different Sn doping ratios

3 結(jié) 論

(1)XRD分析發(fā)現(xiàn)，4種不同Sn含量的高溫鈦合金都結(jié)晶良好，且均由單一的α相組合而成，未發(fā)現(xiàn)β相。

(2)SEM和TEM分析發(fā)現(xiàn)，4種高溫鈦合金樣品均由板條α相組成，隨著Sn含量的增加，板條的寬度逐漸變大；當(dāng)Sn含量從2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))增加到8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，α板條的寬度從0.3μm左右逐漸增加到0.6μm左右。說明隨著Sn含量的增加，高溫鈦合金層錯能逐漸降低，位錯密度增加，強(qiáng)度得到提升。

(3)力學(xué)性能分析可知，隨著Sn含量的增加，高溫鈦合金的屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，延伸率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。當(dāng)Sn含量為8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，高溫鈦合金的屈服強(qiáng)度最大，為1 466.74 MPa；抗拉強(qiáng)度最小，為1 560.38 MPa；延伸率最小，僅為0.68%。