TZM 合金與純Mo 性能對比研究

付靜波，楊秦莉，莊 飛，張 曉

(金堆城鉬業股份有限公司技術中心，陜西 西安 710077)

0 前 言

鉬具有高熔點，低膨脹系數，良好的導電、導熱性、極好的抗熱震性能以及耐熱疲勞性能，被廣泛用作高溫材料。但是純鉬的再結晶溫度低、脆性大和強度低等缺點，使其應用受到了很大的限制。為了滿足應用需求，人們開發了眾多的鉬合金。其中，TZM 合金是目前廣泛應用的高溫合金之一。TZM合金是含0.4% ～0.55%Ti，0.06% ～0.12%Zr 和0.01% ～0.04%C 的鉬基合金，由于少量精細彌散的顆粒添加劑阻止鉬在高溫條件下晶粒長大，這樣就顯著提高了再結晶溫度［1－3］，使其機械性能在室溫和高溫都大為改善［4－6］，因而使得TZM 合金在高溫領域得到了廣泛的應用［7］。

工業上生產TZM 合金的兩種常用方法為真空電弧熔煉法和粉末冶金法［8］。用粉末冶金法生產TZM 合金可以節省真空自耗電弧爐、大型擠壓機以及相應的高溫加熱爐等大型設備，具有工藝簡化、生產周期短、生產成本低等優點，目前正在逐步推廣。本文采用粉末冶金法制備了TZM合金及純鉬板坯，經過軋制得到相應的板材，對比研究了TZM 合金和純鉬的微觀組織、室溫與高溫力學性能和再結晶行為，以期為TZM 合金的推廣應用提供參考。

1 試樣制備及加工

采用FMo－l 高純鉬粉與工業純TiH2、ZrH2粉及純碳粉按比例混合均勻后經模壓壓制成型，然后燒結成厚度為12 mm 的板坯，密度為9.85/cm3，板坯化學成分見表1。為對比起見，還采用相同工藝制備了純Mo 板坯。TZM 合金與純Mo 燒結板坯經熱軋、溫軋成2 mm 的薄板，總變形量為83%。板材在軋制過程中換向一次。對軋制后的板材分別在850 ℃，950 ℃，1 050 ℃，1 150 ℃，1 250 ℃，1 350 ℃，1 450 ℃，1 600 ℃，1 700 ℃，1 900 ℃進行真空退火，保溫時間為1 h。

表1 TZM 合金板坯的化學成分

2 試驗過程

材料的室溫拉伸性能在萬能試驗機上進行，檢測標準為GB/T 228－2002;材料的高溫拉伸試驗在超高溫真空拉伸試驗機上進行，檢測標準為GB/T4338－2006;材料的硬度測試在洛氏硬度試驗機上進行，檢測標準為GB/T4340－84;材料的金相組織觀察在LEICAMEF4M 型金相顯微鏡下進行;在HITACHI S－3400 型掃描電鏡上觀察合金組織以及拉伸斷口形貌，采用EDAX 能譜儀分析第二相的成分。

3 結果與討論

3.1 TZM 合金與純Mo 的金相組織

圖1 分別給出了TZM 合金與純Mo 燒結坯金相組織，從圖中可見，TZM 合金燒結坯晶粒為30 μm左右(圖1a);純鉬燒結坯晶粒為40 μm 左右(圖1b)。

圖1 TZM 合金與純鉬燒結板坯的金相組織

3.2 TZM 合金與純Mo 板材的室溫及高溫拉伸力學性能

表2 為TZM 合金與純Mo 板材室溫與高溫下的拉伸力學性能。從表2 可以看出，TZM 合金的室溫拉伸強度明顯高于純Mo，但延伸率明顯低于純Mo;而1 200 ℃高溫下純Mo 的拉伸強度已經大幅度下降，TZM 合金的拉伸強度仍保持在較高水平。這主要是因為TZM 合金中彌散分布的第二相阻礙位錯的運動，產生顯著的彌散強化效應而導致合金強度的提高;同時這些彌散分布的第二相對位錯具有釘扎作用，導致合金形變能力下降，使得合金的塑性顯著降低。在1 200 ℃下，純Mo 發生了明顯的再結晶，而TZM 合金的再結晶尚未開始(下文將詳細敘述)，這使得純Mo 較TZM 合金的強度下降更為明顯，同時高溫下純Mo 較TZM 合金的塑性均得到改善。

表2 TZM 合金與純Mo 板材的室溫與高溫拉伸力學性能

3.3 板材的拉伸斷口形貌

圖2 給出了TZM 合金與純Mo 板材在室溫及1 200 ℃高溫下的拉伸斷口形貌，圖3 給出了TZM合金高溫下拉伸斷口中細小顆粒物的能譜分析。

圖2 TZM 合金與純Mo 板材的拉伸斷口形貌

從圖2 中可以看出，TZM 合金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)所構成，基本屬于解理型斷裂［9］，所以其延伸率較低;在1 200 ℃高溫下，TZM 合金的斷口形貌發生了變化，雖然還存在撕裂嶺，但出現了很多韌窩，它們類似解理型斷裂，拉伸結果表現為具有一定的塑性變形，延伸率增加。在韌窩間分布著一些第二相顆粒，能譜分析(見圖3)表明，這些第二相為TiC 與ZrC。純Mo 的室溫拉伸試樣的斷口形貌為一系列相互連接的小韌窩組成，呈韌性變形的特征，拉伸結果表現為延伸率較高。純Mo 的高溫拉伸斷口形貌呈人字形山脊樣花紋，有明顯的韌窩存在，因此表現出明顯的韌性變形［10］，延伸率很高。這也說明表1 所列的拉伸力學性能測試結果與圖2 所示的斷口形貌是完全一致的。

圖3 TZM 合金高溫拉伸斷口能譜分析

圖4 板材硬度與退火溫度關系曲線

3.4 板材的再結晶行為

測試TZM 合金與純Mo 板材試樣的硬度，繪出硬度與退火溫度的關系曲線(見圖4)，從中可以看出TZM 合金板材的起始再結晶溫度大致為1 350 ℃，終了再結晶溫度為1 700 ℃;純鉬板材的起始再結晶溫度為850 ℃，終了再結晶溫度為1 250 ℃左右。與純Mo 相比，TZM 合金的起始與終了再結晶溫度分別提高了500 ℃與450 ℃。

圖5 不同退火溫度下TZM 合金板材的金相組織

進一步的金相組織觀察(見圖5)可以更好地分析TZM 合金的再結晶行為。從圖5 中可以看出，TZM 合金經950 ℃、1 150 ℃退火后的顯微組織沒有明顯變化，仍保持軋制態的纖維狀組織，當退火溫度為1 300 ℃時，發生明顯的回復現象，但仍能看到殘留的加工態組織，表明再結晶尚未開始;當退火溫度為1 450 ℃時，加工態組織已基本轉變為不規則的晶粒，說明再結晶已經發生，當退火溫度達到1 700 ℃時，合金顯微組織全部轉變為長大的等軸晶，再結晶過程基本完成。這說明TZM 合金不同溫度退火后的顯微組織改變與其硬度變化(見圖4)是完全一致的。TZM 合金再結晶溫度高的原因是合金彌散分布著第二相顆粒，這些顆粒物對位錯與亞晶界具有較強的釘扎作用，能使亞結構穩定，在再結晶前的回復過程中，阻礙位錯運動和亞晶界合并，保持了較高的位錯密度，延緩了再結晶核心的形成;在再結晶核心形成后長大的過程中，穩定的亞組織使得晶界遷移更加困難，從而使得再結晶核心的進一步長大受阻。因而使得TZM 合金再結晶溫度顯著高于純Mo。

4 結 論

(1)TZM 合金比純Mo 具有更高的室溫與高溫強度。

(2)TZM 合金比純鉬具有更高的再結晶溫度，TZM 合金的起始再結晶溫度和終了再結晶溫度分別比純Mo 提高了500 ℃與450 ℃。

(3)TZM 合金比純鉬性能高的原因是細小彌散分布的第二相TiC、ZrC 的存在。

［1］ 吳新光，杜曉斌. TZM 合金及其特性［J］. 中國鉬業，2005，29(5):30－31.

［2］ 范景蓮，成會朝，盧明園，等. 微量合金元素Ti、Zr 對Mo 合金性能和顯微組織的影響［J］.稀有金屬材料與工程，2008，37(8):1471－1474.

［3］ Sharma I. G.，Chakraborty S. P.，SuriA. K.. Preparation of TZM alloy by alum inotherm icme lting and its characterization［J］. Journal of Alloys and Compounds，2005，393(1－2):122－128.

［4］ M ajumdar S.，Kapoo rR.，Raveedra S.，et al. A study of hot deformation behavior and microstructural characterization of Mo TZM alloy［J］. Journal of Nuclear Materials，2009，385(3):545－551.

［5］ M rotzek T.，Hoffm ann A.，M artin U.. Hardening mechanisms and recrystallization behaviour of several molybdenum alloys［J］. Refractory Metals ＆ Hard Metals，2006，24(4):298－305.

［6］ Cockeram B V. The mechanical properties and fracture mechanism s of wrought low carbon arc cast (LCAC )，molybdenum－0. 5pct－titanium－0. 1pct－zirconium(TZM )，and oxide dispersion strengthened (ODS)molybdenum flat products［J］. Materials Science and Engineering，2006，418:120－136.

［7］ 殷為宏.現代高科技中的鉬［J］.中國鉬業，1997，21(23):27－33.

［8］ 王敬生.TZM 合金板、棒材的研制和應用［J］. 中國鉬業，2007，31(2):44－47.

［9］ 繆建紅，丁錦坤.金屬拉伸試樣斷口分析方法［J］. 物理測試，2000，(3):35－40.

［10］ 趙明汗，張 繼，馮 滌.高溫合金斷口分析圖譜［M］.北京:冶金工業出版社，2006.