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        系列Mo-Ti-Zr材料組織性能研究

        2021-11-10 09:57:34付靜波楊秦莉卜春陽
        中國鉬業(yè) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:延伸率室溫板材

        付靜波,楊秦莉,趙 虎,王 娜,卜春陽,莊 飛

        (金堆城鉬業(yè)股份有限公司技術(shù)中心,陜西 西安 710077)

        0 引 言

        鉬具有高熔點(2 620 ℃)、低熱膨脹系數(shù)、高熱導率、高耐磨性,以及高彈性模量和良好的耐腐蝕能力,但是由于其高的室溫脆性和低的再結(jié)晶溫度限制了其在高溫領(lǐng)域的使用。Mo-Ti-Zr-C系TZM鉬合金是以難熔金屬鉬為基體,添加少量合金元素組成的一種非常典型的高溫鉬合金,與純Mo相比,TZM鉬合金具有更高的再結(jié)晶溫度(比純鉬高300~400 ℃)、更高的室溫和高溫力學性能,在1 400~2 000 ℃場合作為高溫結(jié)構(gòu)材料等具有很重要的用途,并正在航空航天、國防軍工、原子核能、電子信息等尖端技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。如在航空航天和發(fā)動機中用作高溫抗燒蝕材料和高溫結(jié)構(gòu)承載部件,火箭鼻錐、發(fā)動機噴管、飛行器前緣、方向舵、隔熱屏、蜂窩結(jié)構(gòu)等。在核能利用領(lǐng)域,TZM合金高的高溫持久強度以及優(yōu)良的抗中子輻射能力,使其在核能源設(shè)備上被廣泛使用,如輻射罩、支撐架、熱交換器、軌條,以及氣體冷卻反應堆的包套材料和堆芯結(jié)構(gòu)材料等[1-5]。

        隨著航空、航天以及原子核能等前沿領(lǐng)域的發(fā)展,對鉬金屬的性能要求日趨苛刻,TZM合金已經(jīng)不能完全滿足上述領(lǐng)域需求[6-8]。因此,開發(fā)具有更高室溫、高溫力學性能的鉬及鉬合金,并拓展其應用領(lǐng)域成為當下鉬研究工作者的重要任務(wù)。本研究是在常規(guī)TZM合金的基礎(chǔ)上,采用粉末冶金方法制備出鋯含量不同的Mo-Ti-Zr系列材料,并對其組織與性能進行了系統(tǒng)研究。

        1 材料制備及加工

        所用主要原料有高純鉬粉,純度為99.5%的TiH2、ZrH2及純碳粉等。將費氏粒度3 μm的高純鉬粉與粒度為10 μm 的TiH2、ZrH2以及純碳粉等按比例混合均勻,經(jīng)冷等靜壓壓制成單重5 kg的壓坯,壓坯經(jīng)1 980 ℃燒結(jié),得到厚度為25 mm左右的燒結(jié)坯料,試驗坯料對應的主要化學成分見表1。試驗材料在1 300 ~1350 ℃下進行開坯,軋制得到4~5 mm板材。對軋制板材在1 200 ℃進行去應力退火處理,保溫時間2 h。

        表1 試驗材料主要化學成分 %

        2 試驗過程

        金相試樣從燒結(jié)坯上截取,經(jīng)電解拋光和化學腐蝕在LEICAMEF4M型金相顯微鏡下觀察;在MTS810材料試驗機上測試去應力態(tài)試驗板材的室溫拉伸性能;試驗板材的高溫拉伸試驗在高溫真空拉伸試驗機上進行,所用標準為GB/ T4338-2006,檢測溫度為800 ℃;室溫、高溫拉伸斷口形貌在HITACHI S-3400型掃描電鏡上進行觀察;材料的抗彎性能在萬能材料試驗機上進行,標準為GB/T 31967.2-2015。試驗采用三點彎曲法進行測量,加載速率為1.0 mm/min。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 金相顯微組織

        圖1為試驗材料燒結(jié)態(tài)金相組織。從圖1可以看出,1#材料晶粒尺寸為10~20 μm(圖1a);2#材料相對1#材料晶粒尺寸略有減小(圖1b);3#、4#材料相對1#材料晶粒尺寸減小較為明顯,大約為10~15 μm(圖1c、圖1d);5#、6#材料相對1#材料晶粒尺寸減小最為明顯,此時晶粒尺寸大約為5~10 μm(圖1e、圖1f)。

        圖1 試驗材料燒結(jié)態(tài)金相照片

        圖2為試驗材料燒結(jié)坯的硬度檢測結(jié)果。從圖2可以看出,1#材料燒結(jié)態(tài)的硬度最低,為HRA51.7,2#材料硬度相對于1#略有增加,為HRA52.1;3#、4#、5#、6#材料硬度相對于1#、2#均有明顯增加,其中6#增加幅度最大,達到HRA 56.3。另外,試驗材料的硬度值均高于常規(guī)純鉬材料(常規(guī)鉬燒結(jié)態(tài)的硬度一般為HRA48左右)。

        圖2 試驗材料燒結(jié)坯硬度檢測結(jié)果

        3.2 室溫拉伸性能研究

        表2為4 mm厚試驗板材去應力退火后的室溫拉伸力學性能檢測結(jié)果。從表2可以看出,試驗板材的室溫抗拉強度均在900 MPa以上,屈服強度均在800 MPa以上。其中1#板材室溫抗拉強度為921 MPa,屈服強度為830 MPa,延伸率為6.5%;2#板材室溫力學性能相對于1#未見明顯變化,其室溫抗拉強度為928 MPa,屈服強度均在835 MPa,延伸率為8.2%;3#、4#板材室溫力學性能相對于1#、2#明顯提高,其中4#板材室溫抗拉強度為948 MPa,屈服強度為875 MPa,延伸率為9.5%;5#板材與1#室溫抗拉強度、屈服強度相當,但延伸率明顯增加;與1#、2#、3#、4#、5#板材相比,6#板材室溫抗拉強度、屈服強度以及延伸率均明顯增加,其室溫抗拉強度達到975 MPa,屈服強度均在886 MPa,延伸率為16.7%。

        表2 4 mm厚試驗板材室溫拉伸力學性能

        圖3為4 mm厚試驗板材室溫拉伸斷口形貌。從圖3可以看出,1#、2#、3#、4#板材室溫拉伸試樣的斷口形貌為一系列小裂面(每個晶粒的解理面)所構(gòu)成,基本屬于解理型斷裂,此時板材延伸率偏低;而5#、6#板材的室溫拉伸斷口形貌發(fā)生了變化,其明顯差異是出現(xiàn)更多更薄的撕裂嶺,而且存在少許韌窩,因此其拉伸結(jié)果表現(xiàn)為具有一定的塑性變形,延伸率增加。

        圖3 4 mm厚試驗板材室溫拉伸斷口形貌

        3.3 高溫拉伸性能研究

        圖4為4 mm厚試驗板材去應力退火后800 ℃高溫拉伸性能檢測結(jié)果。從圖4可以看出,試驗板材800 ℃抗拉強度在680~740 MPa之間,屈服強度610~660 MPa之間,延伸率在5.9%~8.3% 之間。其中1#板材高溫抗拉強度為684 MPa,屈服強度均在613 MPa,延伸率為5.9%;2#、4#板材高溫力學性能相對于1#略有提高,2#、4#板材的高溫抗拉強度分別為694 MPa、688 MPa,屈服強度分別為625 MPa、623 MPa,延伸率分別為5.0%、6.6%;5#板材高溫力學性能相對于1#變化明顯;其中5#高溫抗拉強度為703 MPa,屈服強度均在634 MPa,延伸率為7.2%;3#、6#板材高溫力學性能相對于1#提高最為明顯,3#、6#板材的高溫抗拉強度分別為736 MPa、732 MPa,屈服強度分別為643 MPa、656 MPa,延伸率分別為6.8%、8.3%。

        圖4 4 mm厚試驗板材高溫拉伸力學性能

        圖5為4 mm厚板材高溫拉伸斷口形貌。高溫拉伸后試驗材料的斷口均出現(xiàn)大小不一的韌窩。一般地,材料塑性越好,韌窩越大。從圖5可以看出,6組材料經(jīng)800 ℃高溫拉伸后,其斷口形貌呈現(xiàn)為多個韌窩狀,而且,相較于1#、2#、3#、4#材料,5#、6#材料的韌窩稍有增大,這主要是因為5#、6#板材具有優(yōu)于1#、2#、3#、4#材料的塑性。

        圖5 4mm厚板材高溫拉伸斷口形貌

        3.4 抗彎性能研究

        圖6為4 mm厚試驗板材室溫抗彎性能柱狀圖。

        圖6 試驗板材室溫抗彎性能檢測結(jié)果

        從圖6可以看出,試驗板材室溫抗彎強度在1 470~1 700 MPa之間。其中1#板材室溫抗拉強度為1 523 MPa;2#板材室溫抗彎性能相對于1#略有提高,其值為1 532 MPa;3#材料板材室溫抗彎性能相對于1#提高明顯,其值為1 560 MPa;4#、5#板材室溫抗彎性能相對于1#未見明顯變化,甚至略有下降,4#、5#板材室溫抗彎性能分別為1 518 MPa、1 528 MPa;6#板材室溫抗彎性能相對于1#提高最為明顯,其值達到1 692 MPa。

        4 結(jié) 論

        (1)試驗材料燒結(jié)態(tài)晶粒尺寸為5~20 μm,而且隨著Zr含量的增加,組織越來越細小,硬度越來越大;

        (2)試驗板材的室溫抗拉強度均在900 MPa以上,屈服強度均在800 MPa以上,Zr含量為1.8%時,材料的室溫強度與塑性均達到最佳;

        (3)試驗板材800 ℃抗拉強度在680~740 MPa之間,屈服強度610~660 MPa之間,Zr含量為0.8%或者1.8%時,材料的強度與塑性達到最佳;

        (4)試驗板材室溫抗彎曲強度在1 470~1 700 MPa之間,Zr含量為0.8%時,室溫抗彎性能提高明顯;Zr含量為1.8%時,材料的抗彎性能最佳。

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