Mo對Ti－Mo系合金顯微組織的影響及其強化效應

盧金文，葛 鵬，趙永慶

（1東北大學 材料與冶金學院，沈陽110819；2西北有色金屬研究院，西安710016）

鈦合金是繼鋼鐵材料和鋁合金材料之后又一重要的工程結構材料，由于具有比強度高、耐腐蝕、高溫性能穩定以及疲勞強度和抗裂紋擴展能力好等綜合特性而被廣泛應用于航空航天、石油化工、裝備制造以及生物醫學等領域[1－3］。工程結構材料要求具有優良的力學性能，既要求材料具有較高的強度，又要求材料具有良好的韌性。提高材料的強度主要通過增大位錯運動的阻力來實現，在組織上表現為制造位錯運動的障礙。合金元素Mo是鈦合金中重要的β合金化元素之一，屬于β同晶型穩定元素，在β型鈦合金中無限互溶，形成連續固溶體。目前大部分重要的結構鈦合金都含有Mo元素，Mo元素在提高合金強度和穩定性的同時可保持合金的塑性并具有優異的耐腐蝕性能[4－6］。另外鈦合金的力學性能與其顯微組織密切相關，特別是原始β晶粒尺寸對鈦合金的力學性能有很大影響，而且晶粒尺寸也影響α晶團尺寸、α片層厚度等參數，從而影響材料力學性能[7－9］。

目前，國內外許多學者都對Ti－Mo系二元合金的組織和性能進行了研究。W.F.Ho等[10］和 N.T.C.Oliveira等[11，12］對鑄態 Ti－Mo合金的組織性能研究發現合金的晶體結構和組織形貌隨合金Mo含量的不同而發生變化；Chen等[13］和 Zhou等[14，15］對冷軋態與熱處理后的Ti－10Mo和Ti－20Mo合金的顯微組織及力學性能進行研究，結果表明Ti－Mo合金表現出優異的抗腐蝕性能，其中Ti－10Mo合金由于具有良好的延展性和較低的屈服強度，相對于其他生物金屬材料更具廣闊的應用前景；X.H.Min等[16］系統研究了α析出相對Ti－15Mo合金間隙腐蝕和抗拉強度的影響，研究表明時效態的Ti－Mo合金（粗大的α析出相）具有較高的抗間隙腐蝕能力，另外合金的抗拉強度隨合金α析出相體積分數的增加而減小。但大多數研究主要側重于不同的Mo含量對合金顯微組織或力學性能的影響，對于Ti－Mo合金顯微組織、力學性能以及 Mo含量三者之間變化關系的研究較少。本工作主要研究固溶態Ti－Mo合金的顯微組織（特別是原始β晶粒尺寸）與力學性能（強度和塑性）以及Mo含量的變化規律，為設計新型鈦合金材料及研究鈦合金相變過程中組織演變的規律提供參考。

1 實驗材料與方法

實驗材料為ZH－25真空自耗電弧爐三次熔煉的Ti－Mo系二元合金鑄錠，合金設計的Mo元素質量分數分別為1%，2%，4%，15%和20%。合金經開坯、β相區鍛造、軋制得到橫截面為70mm×30mm的棒材，合金的實測Mo含量如表1所示。采用金相法對Ti－Mo系二元合金的相變點進行測試。根據相變點測試結果，在相變點以上20～50℃進行固溶處理，處理時間為60～360min，研究固溶溫度、固溶時間以及合金Mo含量對Ti－Mo系合金組織形貌、原始β晶粒尺寸以及力學性能的影響。

表1 Ti－Mo合金的Mo含量Table 1 Mo contents of experimental Ti－Mo alloys

采用線切割的方式從以上各合金棒材上切取金相和拉伸等性能測試的試樣，固溶處理后試樣采用OLYMPUSPMG3倒置式金相顯微鏡進行金相組織觀察以及原始β晶粒尺寸的統計；用PW1700型X射線衍射儀對固溶態合金的物相進行分析；用INSTRON1185多功能拉伸試驗機進行力學性能測試。

2 實驗結果與討論

2.1 固溶態Ti－Mo合金的顯微組織和形貌

圖1所示為固溶態Ti－Mo合金的X射線衍射圖譜，由圖譜可知Ti－Mo合金的晶體結構和顯微組織形貌隨合金Mo含量的不同而發生變化。Ti－1Mo合金和Ti－2Mo合金主要由α相組成，而Ti－4Mo合金的相組成發生變化，主要由六方馬氏體α′相和殘留的β晶界組成；當合金的Mo含量大于10%（質量分數，下同）時，合金主要由單一的β相組成。Oliveira[11，12］和W.F.Ho[10］同樣對鑄態Ti－Mo合金的晶體結構進行了類似的研究，當合金中的Mo含量達到6%時，合金中出現斜方馬氏體α″相，即Ti－6Mo合金主要由α′相和α″相組成；當合金中的Mo含量達到7.5%時，合金中的六方馬氏體α′相完全轉變為斜方馬氏體α″相，所以Ti－7.5Mo合金和Ti－8Mo合金主要由斜方馬氏體α″相組成；當Mo含量達到9%時，合金中開始有保留的β相，所以Ti－9Mo合金和Ti－10Mo合金主要由斜方馬氏體α″相和β相組成。由于鈦合金固溶處理的目的主要是為了獲得并保留更多的亞穩定相（α′，α″，ω和β′相），而時效處理促進這些亞穩定相按一定方式進行分解，達到與特殊需求鈦合金性能的匹配，所以Oliveira[11，12］和 W.F.Ho[10］的研究對固溶態 Ti－Mo合金具有一定的參考價值。合金元素Mo屬于β同晶型穩定元素，另外通過實驗還可以發現合金Mo含量的增加有利于β相的生成，對β相起到穩定作用。

圖2所示為固溶態Ti－Mo合金的顯微組織，與XRD分析結果相一致。由圖2可以發現，Ti－4Mo主要由細小的針狀馬氏體α′相和原始β晶界組成，原始β晶粒較粗大，但比較均勻，晶粒尺寸在50～120μm之間，原始β晶界清晰，細小的針狀馬氏體α′相位于晶內。Ti－15Mo和Ti－20Mo合金主要由等軸的β晶粒組成，晶粒尺寸隨合金Mo含量的增加而逐漸減小，晶粒尺寸在20～80μm之間，隨Mo含量的增加合金顯微組織細化的效果不是很明顯，特別是在Mo含量大于15%的條件下。另外從圖2還可以發現Ti－15Mo和Ti－20Mo合金晶界內無明顯析出相。

圖2 固溶態 Ti－Mo合金的金相顯微組織 （a）Ti－1Mo；（b）Ti－4Mo；（c）Ti－15Mo；（d）Ti－20MoFig.2 Optical micrographs of the Ti－Mo alloys after the solution treatment（a）Ti－1Mo；（b）Ti－4Mo；（c）Ti－15Mo；（d）Ti－20Mo

2.2 Mo含量和不同固溶條件對合金晶粒度的影響

對Ti－Mo系合金在相變點以上進行60～360min固溶處理，冷卻方式均為空冷，隨后對固溶處理后的試樣進行金相組織觀察，如圖2所示。由圖2可知原始β晶界清晰，便于晶粒度的測量，本實驗根據GB／T 6394－2002對Ti－Mo系合金的晶粒度進行測量。每個試樣采用若干視場進行晶粒度的統計，然后計算得到原始β晶粒平均尺寸。圖3所示為900℃固溶處理后Ti－Mo合金的原始β晶粒平均尺寸與合金Mo含量的變化關系。從圖3可以清楚地發現Ti－Mo合金的原始β晶粒平均尺寸隨合金Mo含量的增加而顯著減小。其原因為合金中大量的Mo元素溶質原子阻礙合金晶界的移動，晶粒長大的阻力增強，從而達到抑制合金晶粒長大的目的。當合金的Mo含量大于4%時，Ti－Mo合金原始β晶粒平均尺寸減小的趨勢明顯降低，即 Ti－4Mo，Ti－15Mo和 Ti－20Mo的原始β晶粒平均尺寸都位于55～85μm之間，與圖2得到的結論相吻合。

圖3 900℃固溶處理后Ti－Mo合金的原始β晶粒平均尺寸與合金中Mo含量的變化關系Fig.3 The relationship between averageβgrain size and Mo content of Ti－Mo alloys after solution treatment at 900℃

圖4所示為900℃固溶處理后Ti－4Mo合金的原始β晶粒平均尺寸與固溶時間的變化關系。從圖4可以發現，隨著固溶時間的延長，合金的原始β晶粒平均尺寸明顯長大，固溶處理60min時合金的原始β晶粒平均尺寸為86.84μm；固溶處理時間超過120min時合金的原始β晶粒平均尺寸都大于100μm，固溶時間小于120min時合金的平均晶粒長大較快。原始β晶粒在等溫條件下長大，其晶粒尺寸與固溶時間可以用Beck方程表示：

式中：Dt為合金固溶時間為t時的平均晶粒直徑；D0為原始晶粒直徑；k為常數；t為時間；n為晶粒生長指數。由圖4可以看出晶粒尺寸與固溶時間大致符合指數增長關系，較好地符合理論推導公式。

圖4 900℃固溶處理后Ti－4Mo合金的原始β晶粒平均尺寸與固溶時間的變化關系Fig.4 The relationship between averageβgrain size and solution time of Ti－4Mo alloys after solution treatment at 900℃

圖5所示為60min固溶處理后Ti－4Mo合金的原始β晶粒平均尺寸與固溶溫度的變化關系。從圖5可以發現，合金的原始β晶粒平均尺寸隨固溶溫度的升高顯著增大，特別是固溶溫度不小于950℃（高于合金相變點60℃）時合金晶粒長大的趨勢明顯。當固溶溫度超過合金相變點100℃時，合金的晶粒顯著粗化和長大，影響合金的綜合性能。固溶溫度對晶粒長大的作用主要是對合金晶界處原子跨越晶界遷移的擴散過程的影響，即溫度越高，合金晶界處原子跨越晶界的擴散速率加快（晶界的平均遷移率與exp（－Q／RT）成正比），合金晶粒的長大速度也越快。綜上所述，為避免合金由于在固溶過程中晶粒組織的粗化長大而影響合金的綜合性能，因此必須選擇合理的固溶溫度和固溶時間，Ti－4Mo合金合理的固溶制度：固溶溫度在880～920℃之間，固溶時間60min左右。

圖5 60min固溶處理后Ti－4Mo合金的原始β晶粒平均尺寸與固溶溫度的變化關系Fig.5 The relationship between averageβgrain size and solution temperature of Ti－4Mo alloys after solution treatment for 60min

2.3 晶粒尺寸對合金力學性能的影響規律

在圖3的基礎上，對不同Mo含量的Ti－Mo合金的力學性能進行測試，根據圖3統計的原始β晶粒平均尺寸，得到圖6所示的合金原始β晶粒平均尺寸與抗拉強度變化關系的趨勢圖。由圖6可知：在合金固溶條件相同的條件下，合金的抗拉強度隨晶粒尺寸的減小而提高，其變化關系符合Hall－Petch關系式。圖7所示為相同固溶條件下合金原始β晶粒平均尺寸與合金斷后伸長率的變化關系趨勢圖。由圖7可知：合金的塑性隨晶粒尺寸的減小有一定程度的降低，但當合金的晶粒尺寸達到80μm時，合金的塑性基本保持不變。

圖6 900℃固溶處理后Ti－Mo合金原始β晶粒平均尺寸與抗拉強度的變化關系Fig.6 The relationship between averageβgrain size and tensile strength of Ti－Mo alloys after solution treatment at 900℃

圖7 900℃固溶處理后Ti－Mo合金原始β晶粒平均尺寸與伸長率的變化關系Fig.7 The relationship between averageβgrain size and elongation of Ti－Mo alloys after solution treatment at 900℃

合金元素Mo提高合金強度的主要途徑是晶界強化和固溶強化，即合金隨Mo含量的增加，有效提高了固溶體的溶質原子數量；由于溶質原子和位錯的交互作用以及溶質原子和溶劑原子的尺寸差異，或者是偏聚的原子團和基體的體積差異，會引起一個內應力場，這個內應力場與位錯也有交互作用，從而增加了位錯運動的阻力，使合金的強度提高。合金元素Mo屬于置換型β同晶型穩定元素，與鈦元素的原子半徑相差較小，因此Mo元素對鈦合金基體產生的彈性應變場較小，其強化效果也有限，但由于Mo元素與Ti元素未形成金屬間化合物，因此Mo元素對鈦合金的塑性降低也不是很明顯。

另一方面Mo含量的增加，有效細化了鈦合金的晶粒，根據 Hall－Petch公式（σS＝σ0＋kd－1／2，其中σS為屈服強度；d為晶粒直徑；σ0和k是與材料相關的Hall－Petch公式系數），材料的屈服強度與晶粒直徑平方根的倒數呈線性關系，即合金的屈服強度隨晶粒直徑的減小而增大，所以合金晶粒及內部組織的細化對提高合金的強度是有利的。另外由于晶界更容易發生應力集中，并且隨晶粒尺寸的減小，應力集中的效應更加明顯，所以合金的伸長率和斷面收縮率將隨晶粒尺寸的減小而略有降低。

3 結論

（1）Ti－Mo合金的晶體結構和組織形貌隨合金Mo含量的不同而發生變化，Ti－1Mo合金和 Ti－2Mo合金主要由等軸的α相組成，Ti－4Mo合金主要由針狀六方馬氏體α′相和原始β晶界組成；當合金Mo含量超過10%時，合金主要由等軸的β相組成。

（2）合金的晶粒尺寸與固溶的溫度和時間以及合金中Mo元素的含量有關。晶粒尺寸與固溶時間呈指數關系；在固溶時間一定的條件下，晶粒隨固溶溫度的升高而明顯粗化，而合金Mo含量的增加也顯著減小合金的晶粒尺寸。

（3）合金的抗拉強度隨晶粒尺寸的減小而提高，其變化關系符合Hall－Petch關系式，而合金的塑性基本穩定。

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