劉宏武， 高 帆， 馮像征， 李臻熙

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院先進(jìn)鈦合金航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095； 2.中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)先進(jìn)鈦合金重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095）

TiAl合金具有密度低（3.9～4.2g/cm3）、彈性模量高（150～170GPa）、高溫性能優(yōu)異（650～850℃）、阻燃等性能特點(diǎn)，作為一種新型高溫結(jié)構(gòu)材料，已經(jīng)在國外多型主流航空發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得應(yīng)用[1-4]。TiAl合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用起到了顯著的結(jié)構(gòu)減重效果，提升了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比，降低了燃料消耗、有害氣體排放和噪音污染。自2006年，鑄造Ti-48Al-2Cr-2Nb合金低壓渦輪葉片首次在GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)上使用至今，驗(yàn)證了TiAl合金材料的可靠性。隨著先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，對(duì)TiAl合金的耐溫能力和強(qiáng)度提出了更高的要求。

TiAl合金的室溫塑性低、熱成形能力差一直是限制其更廣泛應(yīng)用的主要因素。大量研究表明[5-7]，高溫β相的存在可以有效改善TiAl合金的熱變形能力。Clemens等[8]設(shè)計(jì)開發(fā)了強(qiáng)度水平更高、可在750℃以下長時(shí)服役的多相合金Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B（TNM合金）。該合金通過低Al含量設(shè)計(jì)，Nb、Mo等β穩(wěn)定元素的添加，含有較多的β/B2相，具有較好的熱加工成形能力。截至目前，TNM合金是公開報(bào)道的航空發(fā)動(dòng)機(jī)上唯一獲得應(yīng)用的變形TiAl合金。

B2相的存在對(duì)TiAl合金的室溫塑性有較大影響，B2相的室溫變形能力與其合金化元素有關(guān)，已有研究表明[9-10]，V和Cr合金化的B2相具有較好的室溫變形能力，可以協(xié)調(diào)γ晶粒的變形，有利于提高合金的室溫塑性；Cr的添加可以降低γ相的層錯(cuò)能，變形過程中增加γ相的機(jī)械孿晶形成，對(duì)TiAl合金的室溫塑性有益。鍛造態(tài)的TNM合金室溫強(qiáng)度可以達(dá)到900MPa以上，室溫塑性伸長率1.2%左右[11]。為了進(jìn)一步改善TNM合金的室溫塑性，本研究在TNM合金的基礎(chǔ)上添加Cr元素，設(shè)計(jì)了Ti-43.5Al-6（Cr, Nb, Mo）-0.1B合金，以期獲得兼具優(yōu)異的高溫變形能力和高強(qiáng)度高塑性的TiAl合金。

1 試驗(yàn)及方法

本研究以名義成分為Ti-43.5Al-6（Cr, Nb, Mo）-0.1B的合金（原子百分?jǐn)?shù)，以下簡稱TCNM合金）為研究對(duì)象，采用3次真空自耗熔煉的方法制備直徑160mm的鑄錠，該鑄錠的實(shí)際成分為43.52% Al、1.02% Cr、3.98% Nb、0.99% Mo、0.089% B、0.059% O、0.008% N、0.0006% H。利用金相法測得，該合金的γ相完全溶解溫度（Tγ→0）約為1260℃，該合金在25℃≤T＜1260℃為 （γ+α/α2+β/B2） 三相區(qū)，在1260℃≤T≤1350℃時(shí)為 （α+β） 兩相區(qū)。在Gleeble-3500上進(jìn)行等溫等應(yīng)變速率熱壓縮試驗(yàn)，溫度分別為1100℃、1150℃、1200℃、1250℃，應(yīng)變速率分別為1s-1、0.1s-1、0.01s-1、0.001s-1，試樣尺寸φ8mm×12mm。以10℃/s的速度升溫，到溫保溫5min，壓下量達(dá)到試樣高度的50%后卸載，立即水冷處理。分別在1180℃ （即Tγ→0-80℃） 和1250℃ （即Tγ→0-10℃）兩個(gè)溫度進(jìn)行包套擠壓加工，包套材質(zhì)為不銹鋼，擠壓比為10∶1，制備出直徑50mm的棒材。擠壓后的棒材做退火穩(wěn)定化處理：Tγ→0-80℃擠壓的棒材熱處理制度為（Tγ→0-30℃）/1h/空冷+900℃/4h/爐冷，Tγ→0-10℃擠壓的棒材熱處理制度為900℃/4h/爐冷。沿?cái)D壓棒材軸向取拉伸性能試樣，試樣標(biāo)距段尺寸為φ3mm×15mm，室溫拉伸斷后伸長率由引伸計(jì)測得，室溫拉伸性能和高溫拉伸性能測試按照相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。將熱壓縮試樣沿中心點(diǎn)縱向剖開，觀察剖面中心變形區(qū)域，在距離擠壓棒材半徑的1/2位置處取樣，觀察樣品軸向剖面組織。采用掃描電子顯微鏡背散射電子像（SEM-BSE）對(duì)合金組織進(jìn)行分析，樣品為OPS機(jī)械拋光表面，所用的掃描電鏡型號(hào)為FEI-Nava NansoSEM450。利用Photoshop軟件進(jìn)行層片團(tuán)含量統(tǒng)計(jì)分析，采用截線法統(tǒng)計(jì)層片團(tuán)尺寸，同一種工藝條件下，選取10張100倍的SEM-BSE圖片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 鑄態(tài)組織

圖1為TCNM合金鑄錠SEM-BSE組織形貌。結(jié)果表明，鑄態(tài)組織主要由α2/γ片層結(jié)構(gòu)、γ晶粒（黑色）、B2晶粒（白色）組成，B2和γ晶粒混合分布在片層邊界處，B2相呈不規(guī)則塊狀。α2/γ片層晶粒尺寸在80～150μm之間。該組織結(jié)構(gòu)的形成主要是由于TCNM合金為β凝固合金，β凝固路徑：liquid→liquid+β→β→β+α→…→B2+γ+α2/γ片層，傳統(tǒng)的γ+α2兩相TiAl合金凝固路徑：liquid→liquid+β→β→β+α→α→γ+α2/γ片層。與傳統(tǒng)的兩相TiAl合金相比，TCNM合金凝固過程中沒有α單相區(qū)，β相的存在可以有效限制α相的生長，此外0.1% B的添加也有助于細(xì)化TCNM合金組織[12]，故而形成了較細(xì)小的片層晶粒尺寸。

圖1 TCNM合金鑄態(tài)組織掃描形貌Fig.1 SEM-BSE images of as-cast TCNM alloy

2.2 高溫變形行為

本研究通過熱壓縮試驗(yàn)來評(píng)價(jià)TCNM合金的熱加工成形能力和高溫變形行為。圖2是在溫度1100℃、1150℃、1200℃、1250℃，應(yīng)變速率1s-1、0.1s-1、0.01s-1、0.001s-1條件下，壓縮50%后的試樣外觀，可以看出，在測試工藝范圍內(nèi)，所有試樣均完好，無開裂。表1列出了幾種相同熱變形工藝下試樣開裂情況，與Ti-45Al-（8～9）Nb-（W,B,Y）、Ti-45Al-2Nb-1.5V-1Mo-0.3Y、Ti-47Al-2Cr-0.2Mo、Ti-45Al-7Nb-0.4W等合金相比，具有更加優(yōu)異的熱變形能力。圖3是不同變形條件下TCNM合金的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，曲線均表現(xiàn)出典型的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型特征，即在變形初期迅速達(dá)到應(yīng)力峰值，隨著應(yīng)變量的增加，應(yīng)力逐漸降低，最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)應(yīng)力狀態(tài)。隨著變形溫度的升高和應(yīng)變速率的降低，流變應(yīng)力降低，這與絕大多數(shù)金屬材料的應(yīng)力變化特征一致。所有變形條件下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線均平滑過渡，無異常的應(yīng)力激增、激降現(xiàn)象出現(xiàn)，這也能直觀反映出TCNM合金熱變形過程是穩(wěn)定的。TCNM合金之所以具有優(yōu)異的熱加工成形能力主要有兩方面原因[17]： （1）由于γ/α2片層團(tuán)尺寸細(xì)小、均勻分布，在壓縮變形過程中不易發(fā)生局部的應(yīng)力集中，避免了試樣的早期開裂； （2）大量易變形的高溫β相在片層團(tuán)界存在，可以促進(jìn)片層團(tuán)的扭轉(zhuǎn)，起到了潤滑劑的作用。

圖2 不同變形條件下壓縮50%后試樣外觀Fig.2 Surface of 50% reduction samples under different deformation conditions

表1 幾種TiAl合金在熱壓縮變形條件下的試樣開裂情況Table 1 Specimen cracking of several TiAl alloys under hot compression deformation conditions

圖3 TCNM合金在不同變形溫度和應(yīng)變速率條件下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.3 True stress-true strain curves of TCNM alloy under different temperatures and strain rates

能量耗散系數(shù)（η）是基于動(dòng)態(tài)材料模型理論發(fā)展出來的[18]，是評(píng)價(jià)材料熱加工能力和確定熱加工工藝窗口的重要參數(shù)。能量耗散系數(shù)是材料變形過程中微觀組織演變耗散的能量占最大耗散能量的百分比，通常情況下，耗散系數(shù)越高的工藝區(qū)間，微觀組織的變化導(dǎo)致的能量耗散越大，材料的成形性能越好。能量耗散系數(shù)計(jì)算所需的材料數(shù)據(jù)從圖3中的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線中提取，計(jì)算過程已有大量文獻(xiàn)報(bào)道[19-21]，本研究不再贅述。圖4是TCNM合金在真應(yīng)變?yōu)?.6時(shí)的能量耗散系數(shù)圖，可以看到，低耗散系數(shù)區(qū)主要分布在1100～1180℃、應(yīng)變速率0.1～1s-1工藝區(qū)間，能量耗散系數(shù)＜0.3；高耗散系數(shù)區(qū)主要分布在1160～1250℃、應(yīng)變速率0.01～0.001s-1工藝區(qū)間，能量耗散系數(shù)＞0.55，此區(qū)間為TCNM合金最優(yōu)的熱加工窗口。圖5（a）是典型的低耗散系數(shù)區(qū)組織，其以片層的扭折和轉(zhuǎn)動(dòng)為主，無明顯的片層組織球化分解特征；圖5（b）和（c）是高耗散系數(shù)區(qū)組織，可見發(fā)生了明顯的組織轉(zhuǎn)變，片層扭折處和片層邊界位置發(fā)生大量的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，片層團(tuán)尺寸進(jìn)一步細(xì)化，殘余片層沿著與壓縮方向垂直的方向分布。前期研究表明，可以通過增大變形量來進(jìn)一步提高動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)，最終獲得完全再結(jié)晶的組織狀態(tài)。

圖4 不同變形溫度和應(yīng)變速率下真應(yīng)變?yōu)?.6時(shí)的能量耗散系數(shù)圖Fig.4 Power dissipation map of TCNM alloy at 0.6 strain under different strain rates and temperatures

圖5 低耗散系數(shù)區(qū)和高耗散系數(shù)區(qū)典型組織形貌Fig.5 Typical microstructure of low dissipation coefficient zone and high dissipation coefficient zone

2.3 擠壓棒材組織和拉伸性能

圖6為TCNM合金在不同溫度擠壓和熱處理后的SEM-BSE組織形貌。表2為不同處理狀態(tài)下TCNM合金組織特征數(shù)據(jù)。圖6（a） 為在Tγ→0-80℃擠壓后的組織，組織主要由等軸的γ晶粒、α2/γ片層團(tuán)和被拉長的β/B2相組成，較大的擠壓變形量使鑄態(tài)原始片層組織完全再結(jié)晶。各組織結(jié)構(gòu)均沿著擠壓方向，呈壓扁或拉長的形態(tài)。已有研究表明，在（γ+α+β）三相區(qū)的低溫段（Tγ→0-80℃）熱加工時(shí)，γ、α、β相會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，此組織為典型的完全再結(jié)晶組織狀態(tài)[3]。圖6（b）為Tγ→0-80℃擠壓+組織穩(wěn)定化處理的組織，為典型的雙態(tài)組織狀態(tài)，片層團(tuán)平均晶粒尺寸約為20μm，含量占65%，其中紅線為片層取向，與擠壓方向無特定取向關(guān)系，等軸γ晶粒和B2相晶粒均勻分布。圖6（c）為在（γ+α+β）三相區(qū)高溫段（Tγ→0-10℃）擠壓后的組織，為近片層組織狀態(tài)，主要由90%的α2/γ片層團(tuán)、少量細(xì)小的γ和B2相組成，其中片層取向與擠壓方向的角度在0～20°分布，平均片層尺寸為25μm。圖6（d）是在（γ+α+β）三相區(qū)高溫段（Tγ→0-10℃）擠壓+組織穩(wěn)定化處理后的組織，其特征與Tγ→0-10℃擠壓態(tài)無明顯變化。

表2 不同處理狀態(tài)下TCNM合金組織特征Table 2 Microstructural characteristics of as-extruded TCNM alloy with different treatment states

圖6 不同處理狀態(tài)下TCNM合金擠壓棒材的SEM-BSE組織Fig.6 SEM-BSE images of as-extruded TCNM alloy with different treatment states

TiAl合金的性能對(duì)組織極其敏感，研究表明雙態(tài)組織和近片層組織具有較好的綜合力學(xué)性能，故本研究針對(duì)擠壓+退火穩(wěn)定化處理獲得的雙態(tài)組織（以下簡稱雙態(tài)組織）和近片層組織（以下簡稱近片層組織）進(jìn)行了拉伸性能測試。圖7為TCNM合金兩種組織狀態(tài)的室溫拉伸曲線，表3為兩種組織狀態(tài)的室溫和高溫拉伸性能數(shù)據(jù)列表?？梢钥吹?，TCNM合金雙態(tài)組織的室溫抗拉強(qiáng)度為855MPa，斷后伸長率為1.0%；當(dāng)溫度為750℃和800℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度分別為730MPa和605MPa。近片層組織狀態(tài)的室溫抗拉強(qiáng)度分別為1020MPa和1015MPa，斷后伸長率為2.0%，與現(xiàn)有其他多相TiAl合金的研究結(jié)果相比有較大優(yōu)勢；當(dāng)溫度為750℃和800℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度分別為815MPa和685MPa。近片層組織的室溫抗拉強(qiáng)度提高160MPa，斷后伸長率提高了1倍，同時(shí)800℃時(shí)抗拉強(qiáng)度提高了80MPa。

表3 TCNM合金室溫和高溫拉伸性能Table 3 Tensile properties of TCNM alloy at room and high temperatures

圖7 TCNM合金兩種組織狀態(tài)下室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Tensile strain-stress curves at room temperature in two conditions of TCNM alloy

近片層組織TCNM合金表現(xiàn)出了優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性匹配，其片層取向與擠壓方向呈0～20o的擇優(yōu)取向分布，而拉伸的加載方向與擠壓方向一致，即拉伸加載方向與片層方向呈0～20o，已有研究表明，拉伸加載方向與片層方向呈小角度分布，對(duì)合金的室溫延伸率有益[22]。近片層組織的高強(qiáng)度主要是由于其含有大量的片層結(jié)構(gòu)（含量89%），已有研究表明，片層含量的增加有利于TiAl合金強(qiáng)度增加。

傳統(tǒng)兩相TiAl合金通過α擠壓加工，制備的細(xì)晶全片層組織具有高強(qiáng)度高塑性伸長率[23]，但是由于擠壓變形過程中α單相存在，其晶粒尺寸不易控制，尤其是工業(yè)尺度的棒材在α擠壓的過程中尺寸均勻性的控制問題一直存在。TCNM合金在Tγ→0相變點(diǎn)以下附近溫度，主要含有約90%的α相和少量的β+γ相，在該溫度區(qū)進(jìn)行擠壓，β和γ相的存在可以有效抑制α相的長大，適于制備具有擇優(yōu)取向的細(xì)小近層片組織，該組織狀態(tài)具有優(yōu)異的高強(qiáng)度和高塑性。圖8為幾種多相TiAl合金熱機(jī)械處理狀態(tài)的室溫拉伸性能對(duì)比，可以看到擠壓態(tài)的TCNM合金具有最優(yōu)的強(qiáng)度和塑性匹配。

圖8 幾種多相TiAl合金室溫拉伸性能對(duì)比Fig.8 Comparison of room temperature tensile properties of several multiphase TiAl alloys

3 結(jié)論

（1）TCNM合金中主要含有γ、α2、B2相，鑄態(tài)組織呈近片層組織狀態(tài)，片層晶粒尺寸在80～150μm之間。

（2）TCNM合金具有優(yōu)異的熱變形能力，低耗散系數(shù)區(qū)主要分布在1100～1180℃、應(yīng)變速率0.1～1s-1工藝區(qū)間，能量耗散系數(shù)＜0.3；高耗散系數(shù)區(qū)主要分布在1160～1250℃、應(yīng)變速率0.01～0.001s-1工藝區(qū)間，能量耗散系數(shù)＞0.55，高耗散系數(shù)區(qū)的組織中再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)更高，此區(qū)間為TCNM合金最優(yōu)的熱加工窗口。

（3）在Tγ→0-80℃擠壓，為完全再結(jié)晶的等軸組織狀態(tài)，退火穩(wěn)定化處理后，呈雙態(tài)組織，片層平均晶粒尺寸為20μm，含量占65%；在Tγ→0-10℃擠壓，呈近片層組織，片層平均晶粒尺寸為25μm，片層含量為90%，片層取向與擠壓方向的角度在0～20°分布。

（4）TCNM合金雙態(tài)組織的室溫抗拉強(qiáng)度為855MPa，伸長率1.0%；近片層組織室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到1020MPa，伸長率2.0%，800℃拉伸時(shí)抗拉強(qiáng)度為685MPa，表現(xiàn)出了優(yōu)異的室溫和高溫拉伸性能。