Mo對高Nb-TiAl基合金微觀組織的影響

王艷晶,谷艷鵬，高恩志,李　菲，王文東

(沈陽航空航天大學 材料科學與工程學院，沈陽 110136)

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Mo對高Nb-TiAl基合金微觀組織的影響

王艷晶,谷艷鵬，高恩志,李菲，王文東

(沈陽航空航天大學 材料科學與工程學院，沈陽 110136)

在高Nb-TiAl合金的基礎上添加Mo、B合金元素，熔煉了2種合金。利用光學顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)結(jié)合能譜分析(EDS)、X射線衍射(XRD)等手段研究了2種合金鑄態(tài)和熱處理后的顯微組織。研究表明，Ti-45Al-7Nb-0.2B-1Mo合金的鑄態(tài)組織為近層片組織，熱處理后組織為全層片組織；該合金的鑄態(tài)組織中包含γ相、α2相、B2相及多種鉬鋁化合物相，熱處理后合金中B2相消失，形成了富Nb的鉬化物，Mo細化了層片間距。

近層片組織；Mo微合金化；熱處理

高Nb-TiAl基合金不但具有TiAl基合金所具有的優(yōu)點，如低密度、高熔點、較高的比強度、高比剛度、高彈性模量、良好的阻燃能力、抗蠕變性等，同時由于加入高熔點難熔金屬Nb元素，增強了合金的高溫強度、高溫抗蠕變性和高溫抗氧化性能，使其成為航天、航空及汽車用發(fā)動機耐熱結(jié)構(gòu)件極具競爭力的高溫結(jié)構(gòu)材料[1-5]。金屬間化合物固有的室溫脆性和900 ℃以上的抗氧化性差，限制其在高溫條件下的應用,通過合金化和熱處理等手段可以提高合金的延展性和抗氧化性[6]。B可以細化晶粒，細化層片團，從而改善高Nb-TiAl合金片層組織的室溫塑性[7]；Mo可以提高細晶合金的塑性和強度，改善合金的抗氧化性[8]。本文以名義合金成分Ti-45Al-7Nb-0.2B為基，研究Mo的加入對Ti-45Al-7Nb-0.2B合金的鑄態(tài)及熱處理組織的影響。

1　實驗材料與方法

本實驗利用真空非自耗電弧爐熔煉名義成分為Ti-45Al-7Nb-0.2B和Ti-45Al-7Nb-0.2B-1Mo(at.%)合金，采用的原料為純鈦棒(99wt.%)、鋁粒(99.9wt.%)、鉬條、鈮條、硼粒。每一個合金鑄錠都需要進行多次熔煉，確保合金成分的均勻性。為了保證實驗的可比性，用電火花線切割并在每個鑄錠的相同位置進行取樣。將試樣用酒精清洗干凈后放入干燥器中干燥備用，對樣品進行真空封裝后在1 300 ℃/6 h+900 ℃/30 min/AC的條件下均勻化熱處理。將均勻化熱處理后的試樣用砂紙磨至2000號后進行拋光，腐蝕液為3%HF+6%HNO3的水溶液，采用金相顯微鏡及配有能譜儀(EDS)的掃描電鏡(SEM)對合金進行顯微組織觀察，利用X射線衍射儀(XRD)進行相組成檢測。

2　結(jié)果與分析

2.1合金鑄態(tài)顯微組織分析

圖1(a)和1(c)分別為鑄態(tài)Ti-45Al-7Nb-0.2B合金的光學和掃描電鏡下的顯微組織，該組織為近全層片組織，主要由較粗大的層片團(α2 /γ)構(gòu)成，還含有少量的γ相，層片間距較大，層片斷續(xù)，層片團內(nèi)和邊界附近存在一些粒狀和條狀析出相。圖1(b)和1(d)為鑄態(tài)的Ti-45Al-7Nb-0.2B-1Mo合金的光學和掃描電鏡下的顯微組織，該組織仍為近全層片組織，層片團存在多種取向，層片連續(xù)，層片間距變小，層片較細，大部分晶界處呈鋸齒狀。與Ti-45Al-7Nb-0.2B合金(圖1(a))相比，層片團和層片間距的尺寸均得到細化。XRD分析表明(圖2)，該鑄態(tài)組織中包括γ相、α2相、B2相、MoAl5相、Mo3Al8相和MoO3相。

圖1　高Nb-TiAl合金鑄態(tài)顯微組織

Mo和Nb是同晶型β相穩(wěn)定元素[9-10]，添加Mo和Nb，使其按照β相凝固路線的凝固過程完成，可以防止組織中出現(xiàn)明顯的各向異性，而各向異性的存在會導致TiAl合金的不同部位的性能差異明顯[11]。β相穩(wěn)定元素的添加可能會產(chǎn)生B2相，B2相是由于凝固時β→α相變過程中，未分解的β相隨著溫度降低進行B2有序化形成的。一般來說，β(B2)相分布在晶界處，形成β(B2)相偏析，降低合金的室溫塑性和抗蠕變性能[12]，必須通過熱處理的手段加以消除。合金中的Mo和B元素均對細化層片團起作用，B形成的彌散硼化物提供異質(zhì)形核核心，固溶的B原子阻礙層片側(cè)向長大，這些都起到了細化的作用[13]，而Mo形成的MoAl5相、Mo3Al8相和MoO3相熔點較高，在凝固過程中領先析出，同樣可以起到異質(zhì)形核核心的作用。

圖2　鑄態(tài)Ti-45Al-7Nb-0.2B-Mo合金的X射線衍射譜

2.2熱處理對合金組織的影響

圖3(a)和圖3(c)為經(jīng)過1 300 ℃/6 h+900 ℃/30 min/AC均勻化處理的Ti-45Al-7Nb-0.2B合金的顯微組織，該組織為由細小的層片團(α2/γ)構(gòu)成和少量的等軸γ相構(gòu)成的近全層片組織。與鑄態(tài)組織相比，此熱處理工藝后合金的層片團尺寸減小，且層片間距變細，層片較為完整，少量的層片團內(nèi)由與原層片團的生長方向一致及不一致的小層片團構(gòu)成的；大量的層片團內(nèi)部片層生長方向基本一致，相鄰不同晶粒彼此之間的片層生長方向不同，邊界變得平滑，鋸齒狀邊界基本消失。圖3(b)和圖3(d)為經(jīng)過1 300 ℃/6 h+900 ℃/30 min/AC均勻化處理后Ti-45Al-7Nb-0.2B-Mo合金的組織，該組織為由大量的尺寸較大的層片團(α2/γ)構(gòu)成的全片層組織，大多相鄰層片的片層取向一致，與不含Mo合金相比，層片團尺寸變粗，層片團內(nèi)的層片不如圖3(a)那樣明晰，實驗過程中該試樣經(jīng)過充分腐蝕后在所用電鏡中仍然顯示不出明顯的層片。在文獻[14]中出現(xiàn)了類似的情況，該文作者利用高倍數(shù)電鏡觀察到這類組織為較細的層片，本實驗中由于實驗條件限制未達到需要的高倍數(shù)，但是根據(jù)文獻[14]中的結(jié)果可以推斷，本文中含Mo合金層片得到了細化；層片團間邊界處多數(shù)呈鋸齒狀，少數(shù)呈較平滑狀態(tài)，并且晶界處有析出物。圖4是Ti-45Al-8Nb-0.2B-Mo合金經(jīng)1 300 ℃/6 h+900 ℃/30 min/AC熱處理后組織的背散射圖像，可明顯看到在晶內(nèi)和晶界處分布著的白色粒狀和條狀析出相。EDS分析表明，晶界上白色發(fā)亮的長條狀和短棒狀相為富Nb的鉬化物，晶界和晶粒內(nèi)白色粒狀的析出相為富Nb的硼化物。XRD分析表明(圖5)，熱處理后含Mo合金中的β相消失，與鑄態(tài)合金相比，又生成了一種新的鉬鋁化合物Mo5Al22。

通過TiAl二元相圖可知，經(jīng)過1 300 ℃/6 h+900 ℃/30 min/AC均勻化處理的名義成分為Ti-45Al-7Nb-0.2B合金為近全片層組織，可以說明該溫度處于Tα附近；Ti-45Al-7Nb-0.2B-1Mo合金的組織都為全片層組織，說明該溫度高于Tα。由此可知，少量Mo的加入可能會降低高Nb-TiAl合金的Tα轉(zhuǎn)變溫度。當Ti-45Al-7Nb-0.2B合金在1 300 ℃保溫時，由于此溫度處在接近Tα在α+γ兩相區(qū)，將發(fā)生α2+γ→α轉(zhuǎn)變和γ相的長大。由于鑄態(tài)合金中缺陷較多，缺陷處能量低，形成的α數(shù)量會較多，而γ相形成較少，鑄態(tài)組織中γ相在保溫過程中會長大，因此組織中γ相數(shù)量少。當合金冷卻至900 ℃保溫及隨后冷卻時，將發(fā)生α→α+γ→α2+γ轉(zhuǎn)變，形成α2/γ層片團，γ相冷卻過程中得到保留，因此最終形成近片層組織，且其片層團較鑄態(tài)組織細。而Ti-45Al-7Nb-0.2B-1Mo合金處在Tα以上保溫時，將發(fā)生α+γ→α轉(zhuǎn)變，由于此時γ消失，及其容易造成α相的合并長大，從而冷卻后續(xù)冷時經(jīng)過α→α+γ→α2+γ轉(zhuǎn)變形成的(α2+γ)層片團較粗大。由上述分析可知，含Mo合金的層片團較細，這可能是由于晶界上分布的長條狀和短棒狀富Nb的鉬化物相和白色粒狀的富Nb的硼化物相，阻礙了α晶粒的長大，從而形成細小的片層團組織[15-17]。而且晶內(nèi)存在的鉬化物和硼化物在α→α2+γ相變過程中，有助于提高γ相形核率，促進片層組織形成。另外在長時間的保溫過程中，β相逐漸從其周圍的γ相和α2/γ片層團中吸收Al而排出Ti，在β相和γ相以及β相和α2/γ片層團的周圍發(fā)生擴散相變轉(zhuǎn)化形成α，當原β相中Al含量增加到α轉(zhuǎn)變成分就會形成厚度細小的α2/γ片層團[18]。

圖3　經(jīng)1 300 ℃/6 h+900 ℃/30 min/AC熱處理組織的金相形貌

圖4　Ti-45Al-7Nb-0.2B-Mo合金經(jīng)1 300 ℃/6 h+900 ℃/30 min/AC熱處理后SEM背散射電子像

圖5　經(jīng)1 300 ℃/6 h+900 ℃/30 min/AC熱處理后的Ti-45Al-7Nb-0.2B-Mo合金的X射線衍射譜

3　結(jié)論

(1)Ti-45Al-7Nb-0.2B-1Mo合金的鑄態(tài)組織為近層片組織，經(jīng)過1 300 ℃/6 h+900 ℃/30 min/AC均勻化熱處理后的組織為全層片組織，與Ti-45Al-7Nb-0.2B合金相比，合金層片得到細化。

(2)Ti-45Al-7Nb-0.2B-1Mo合金的鑄態(tài)組織中除了含有α2和γ相，還含有多種鉬化物和β相；經(jīng)過1 300 ℃/6 h+900 ℃/30 min/AC均勻化熱處理后，伴隨著合金層片間距變細、β相的消失，形成了富Nb的鉬化物。

(3)合金化元素Mo在高Nb-TiAl基合金中以富Nb的鉬鋁化合物形式存在，分布于合金層片團的晶界上以及晶粒內(nèi)部。

[1]陳玉勇,孔凡濤.TiAl基合金新材料研究及精密成形[J].金屬學報,2002,38(21):1141-1148.

[2]LORIA E A.Gamma Titanium Aluminides as Prospective Structural Materials[J].Intermetallics,2000,8(9-11):1339-1345.

[3]RAMANUJAN R V.Phase Transformations in γ Based Titanium Aluminides[J].International Materials Reviews,2000,45(6):217-240.

[4]沈勇,丁曉非,王富崗,等.高鈮TiAl基合金高溫抗氧化性能研究[J].中國腐蝕與防護學報,2004,24(4):203-206.

[5]王剛,徐磊,王永,等.高Nb-TiAl合金高溫塑性變形行為及微觀組織演化[J].金屬學報,2011,47(5):587-593.

[6]陳玉勇,張志樹,孔凡濤,等.新型β-γTiAl基合金的研究進展[J].稀有金屬,2012,36(1):154-160.

[7]鄭立靜,楊莉莉,張虎.微量元素B在γ-TiAl基合金的應用研究進展[J].稀有材料與工程,2010,39(10):1875-1880.

[8]張永剛,韓雅芳,陳國良,等.金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料[M].北京:國防工業(yè)出版社,2001.

[9]王津,鐘宏,張鐵邦,等.Mo對高Nb-TiAl合金凝固路徑及凝固組織的影響[J].特種鑄造及有色合金,2011,31(4):376-379.

[10]吳歡,趙永慶,葛鵬,等.β穩(wěn)定元素對鈦合金α相強化行為的影響[J].稀有金屬材料與工程,2012,41(5):805-810.

[11]張翥,王群驕,莫畏.鈦的金屬學和熱處理[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2009.

[12]BROSSMANN U,OEHRING M,APPEL F,et al.Microstructure and chemical homogeneity of high Nb gamma-based TiAl alloys in different conditions of processing[C]// J.Hemker.Structural Intermetallics.Warrendale:Warrendale,Pa:TMS,2001:191-200.

[13]李寶輝,孔凡濤,陳玉勇,等.TiAl金屬間化合物的合金設計及研究現(xiàn)狀[J].航空材料學報,2006,26(2):72-78.

[14]許正芳，徐向俊，林均品,等.熱處理對大尺寸鑄態(tài)高Nb-TiAl合金中β-偏析的影響[J].航空材料學報,2007,27(3):28-32.

[15]王艷晶，宋玫錦，王繼杰，等.多組元微合金化高鈮TiAl基合金微觀組織的研究[J].沈陽航空航天大學學報，2013，30(1):20-24.

[16]李書江,王艷麗,林均品,等.微量C,B對高鈮TiAl合金顯微組織與力學性能的影響[J].稀有金屬材料與工程,2004,33(2):144-148.

[17]胡義華,諶炎輝,張樹林.硼對高鈮TiAl基合金γ→α相變的影響[J].機械設計與制造,2012(2):202-203.

[18]許正芳，徐向俊，林均品,等.熱處理消除大尺寸鑄態(tài)高Nb-TiAl基合金組織中的β相偏析[J].材料工程,2007(9):42-46.

(責任編輯：吳萍英文審校：劉興民)

Influence of element Mo on microstructure of TiAl based alloy with high Nb content

WANG Yan-jing,GU Yan-peng,GAO En-zhi,LI Fei,WANG Wen-dong

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

Two kinds of alloys were melt by adding Mo and B elements into the TiAl based intermetallic compound with high Nb concent． The as-cast and heat treated microstructure of this two kinds of alloys were investigated by the optical microscope(OM),scanning electronic microscope(SEM),energy dispersive spectroscope(EDS)and X-ray diffraction(XRD).The results show that the as-cast Ti-45Al-7Nb-0.2B-1Mo alloy has approximately lamellar microstructure and heat treated alloy has full lamellar microstructure.The as-cast microstructure of this alloy contained γ phase,α2phase,β(B2)and a variety of molybdenum compound phase.β(B2)phase disappeared after heat treatment and Nb-rich Molybdenum compound formed.Lamellar spacing decreases when element Mo is added into TiAl alloys with high Nb concent.

near lamellar microstructure;Mo micro-alloying;heat treatment

2095-1248(2016)03-0047-05

2015-10-08

國家自然科學基金(項目編號：51405310)

王艷晶(1973-)，女，遼寧沈陽人，副教授，博士，主要研究方向：金屬間化合物，E-mail：wangyj2006@163.com。

TG146.2

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2016.03.007