Mo對650℃高溫鈦合金組織和性能的影響

郭佳林 董燕妮 岳旭 陳秉剛 王鼎春 劉建榮 王清江

摘要：

研究了Mo對650 ℃高溫鈦合金組織和性能的影響。研究表明：Mo可以細化鈦合金的顯微組織，且能在較小幅度降低其室溫塑性的前提下，顯著提高其室溫強度;Mo對鈦合金650 ℃高溫強度和塑性影響不顯著;合金的高溫持久性能和蠕變性能具有強烈的組織和溫度敏感性，初生α相含量和溫度對鈦合金高溫持久性能和蠕變性能的影響遠大于Mo;在較高溫度下（初生α相體積分數約為15%），Mo的質量分數為0.6%時，對鈦合金熱穩定性能有很好的改善作用。

關鍵詞：

Mo; 高溫鈦合金; 顯微組織; 性能

中圖分類號： TG 113.1 文獻標志碼： A

Effect of Molybdenum on Microstructure and

Mechanical Properties of High Temperature

Titanium Alloy Working at 650 ℃

GUO Jialin DONG Yanni YUE Xu CHEN Binggang WANG Dingchun LIU Jianrong WANG Qingjiang2

（1.Baoti Group Co.， Ltd.， Baoji 721014， China;

2.Institute of Metal Research， Chinese Academy of Sciences， Shenyang 110016， China）

Abstract：

In the paper，effect of molybdenum on microstructure and mechanical properties of high temperature titanium alloy used at 650 ℃ was studied.The results show that molybdenum can refine the microstructure of the alloy，and can significantly increase the room temperature strength of the material without significantly reducing the room ductility intensively.But it has no significant effect on the elevated temperature strength and ductility at 650 ℃.Endurance and creep property of this alloy are dependent on the microstructure and testing temperature.In some sense，the volume fraction of prior α phase in the microstructure has a larger contribution to the endurance and creep property than molybdenum element for this alloy.Based on this work，a suggested treatment for this alloy with favorable heat endurance property is to be treated at higher solution temperature.In this case，the volume fraction of prior α in the treated microstructure was about 15% and the Mo content was 0.6%.

Keywords：

molybdenum; high temperature titanium alloy; microstructure; mechanical properties

高溫鈦合金是在航空發動機的需求牽引下發展起來的，其可大幅度降低航空發動機的結構質量，提高航空發動機推重比，在航空發動機領域有著極為廣闊的應用前景。目前成熟的高溫鈦合金的最高使用溫度是600 ℃，各國研發的600 ℃高溫鈦合金為Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α合金，其中比較典型的有IMI834，Ti-1100，BT18Y和Ti60鈦合金等[1-5]。隨著航空發動機推重比的提高，其工作溫度相應提高，更高使用溫度的鈦合金（650 ℃高溫鈦合金）成為研發的熱點。日本的研究者在IMI834鈦合金基礎上研制出IMI834-Ta（Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.5Mo-1.0Ta-0.35Si-0.06C）鈦合金，用1.0%Ta（本文若無特殊說明，%均為質量分數）代替0.7%Nb，提高了合金的高溫持久性能、蠕變性能和抗氧化性能。俄羅斯研究者在1992年研制出添加了5%BT36的鈦合金（Ti-6.2Al-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-5.0W-0.15Si）。GE公司研制出一種由Al，Sn，Zr，Hf，Nb，Ta，Mo和Si等合金元素組成的650 ℃高溫鈦合金，加入Hf和Ta明顯提高了材料的高溫抗拉強度、蠕變性能和抗氧化性能，但由于Al當量達到9.4，且采用β熱處理制度時，顯微組織為全片層組織，其塑性和熱穩定性能較差。此外，該合金中Hf+Ta的總量超過了8%，造成該合金成本較高。寶鈦集團有限公司和中國科學院金屬研究所共同研制出一種合金體系為Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Ta-Si-W-C的650 ℃高溫鈦合金，并具有良好的綜合性能，實現了熱穩定性能和熱強性之間的良好匹配。

縱觀各國600～650 ℃高溫鈦合金的發展史，Mo是此類高溫鈦合金中必不可少的關鍵元素。許多研究表明[6-14]：Mo是強β相穩定元素，對材料強韌性匹配有重要的影響，該元素對在動載荷作用下合金的抗裂紋擴展阻力和塑性的貢獻較Zr，Sn，Al大（Mo>Zr>Sn>Al）;Mo可以細化合金的顯微組織，在強化合金的同時對塑性影響較小;加入一定量Mo的600 ℃高溫鈦合金綜合性能優良，具有較優的熱強性、工藝塑性和熱穩定性能。

本文以寶鈦集團有限公司和中國科學院金屬研究所研制的Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Ta-Si-W-C系650 ℃高溫鈦合金為基礎，開展了Mo含量對650 ℃高溫鈦合金性能影響的研究。

1 試 驗

試驗合金名義成分為Ti-5.5Al-4.0Sn-3.4Zr-0.3Nb-1.0Ta-0.45Si-0.8W-xMo（質量分數，%，下同），其中Mo含量分別為0，0.3%，0.6%和0.9%。合金鑄錠經鍛造→精鍛后，制成30 mm的棒材，用砂輪下料，每支試驗料長度200 mm，在三段式電阻爐內熱處理后，采用電火花線切割成11 mm，13 mm和17 mm的棒材，分別用于加工M10 mm×5 mm，M12 mm×5 mm和M16 mm×10 mm的拉伸、持久和蠕變試樣，進行力學性能測試。

熱處理制度：Ⅰ，βT（β轉變溫度）-30 ℃/2 h，OQ（油淬）+700 ℃/5 h，AC（空冷）;Ⅱ，βT-20 ℃/2 h，OQ+700 ℃/5 h，AC。

2 結果與分析

2.1 顯微組織

據文獻報道[15]，IMI834鈦合金在含有體積分數為15%的初生α相時具有良好的綜合性能。因此，本文采用熱處理制度Ⅱ對不同Mo含量的試驗合金進行熱處理，得到圖1所示的顯微組織，初生α相體積分數約為15%。從圖1中可以看出，隨著Mo含量的增加，等軸初生α相的直徑有所減小，β相轉變組織內部的片狀次生α相越來越細。經檢測，采用熱處理制度Ⅰ對試驗合金進行熱處理后，試驗合金中的初生α含量為30%～40%。

2.2 Mo對試驗合金力學性能的影響

圖2為采用熱處理制度Ⅱ處理后，棒材的室溫拉伸性能。由圖2可見，隨著Mo含量的增加，合金室溫強度明顯增加，室溫塑性則變化不大，說明Mo能在較小幅度降低合金室溫塑性的前提下，顯著提高合金的室溫強度。

圖3為采用熱處理制度Ⅱ處理后，棒材的高溫拉伸性能。由圖3可見，隨著Mo含量的增加，合金高溫強度略有升高，650 ℃時，伸長率變化不大，收縮率有升高的趨勢。

測試了兩種熱處理制度下合金的高溫持久性能和蠕變性能，結果見圖4和圖5，此處每種情況下為雙組測試數據，分析時取其平均值。

從圖4和圖5中可以看出：初生α相含量對合金的高溫持久性能和蠕變性能有極大的影響，隨著初生α相含量的增加，高溫持久性能下降，蠕變性能則會得到提高;合金的高溫持久性能和蠕變性能具有強烈的組織敏感性，初生α相含量對高溫持久性能和蠕變性能的作用要遠大于Mo;合金的高溫持久性能和蠕變性能同時具有較強的溫度敏感性，630和650 ℃條件下，Mo的影響作用存在差異。

圖1 熱處理制度Ⅱ下不同Mo含量鈦合金的SEM照片

Fig.1 SEM images of tiantanium alloy with different Mo contents heat treated by heat treatmentⅡ

圖2 不同Mo含量試驗合金的室溫拉伸性能

Fig.2 Room temperature tensile properties of titanium alloy with different Mo contents

鑒于上述幾點，將結合溫度、初生α相含量和Mo含量等因素具體分析圖4、圖5中試驗合金高溫持久性能和蠕變性能的變化趨勢。

2.2.1 高溫持久性

（1） 630 ℃時，試驗合金中初生α相體積分數為30%～40%。添加0～0.3%Mo，隨著Mo含量的增加，試驗合金的高溫持久性能下降;Mo含量為0.3%～0.9%時，隨著Mo含量的增加，試驗合金的高溫持久性能提高，但仍大大低于不添加Mo時的水平，當Mo含量增加到0.9%時，試驗合金的高溫持久性能恢復到不添加Mo時的水平。

（2） 630 ℃時，試驗合金中初生α相體積分數約為15%。添加0～0.3%Mo，隨著Mo含量的增加，試驗合金的高溫持久性能快速提高;Mo含量為0.3%～0.6%時，試驗合金的高溫持久性能基本沒有變化;當Mo含量增加到0.9%時，試驗合金的高溫持久性能略有提高。

圖3 不同Mo含量的試驗合金的650 ℃高溫拉伸性能

Fig.3 Elevated temperature（650 ℃） tensile properties of test alloy with different Mo contents

圖4 不同Mo含量的試驗合金的高溫持久性能

Fig.4 High temperature endurance properties of test alloy with different Mo contents

圖5 不同Mo含量的試驗合金的蠕變性能

Fig.5 Creep properties of test alloy with different Mo contents

（3） 650 ℃時，試驗合金中初生α相體積分數為30%～40%。Mo含量對試驗合金的高溫持久性能影響甚微。

（4） 650 ℃時，試驗合金中初生α相體積分數約為15%。添加0～0.3% Mo，隨著Mo含量的增加，試驗合金的高溫持久性能變化不明顯;Mo含量為0.3%～0.6%時，隨著Mo含量的增加，試驗合金的高溫持久性能快速提高，Mo含量達0.6%時，試驗合金高溫持久性能最高;Mo含量為0.6%～0.9%時，隨著Mo含量增加，試驗合金的高溫持久性能下降。

2.2.2 蠕變性能

（1） 630 ℃時，試驗合金中初生α相體積分數為30%～40%。添加0～0.3% Mo，隨著Mo含量的增加，試驗合金的蠕變性能無變化;Mo含量為0.3%～0.9%時，隨著Mo含量增加，試驗合金的蠕變性能迅速降低。

（2） 630 ℃時，試驗合金中初生α相含量約為15%。Mo含量對試驗合金的蠕變性能影響甚微。

（3） 650 ℃時，試驗合金中初生α相體積分數為30%～40%。添加0～0.3%Mo，隨著Mo含量的增加，試驗合金的蠕變性能有一定程度的提高;Mo含量為0.3%～0.9%時，隨著Mo含量的增加，試驗合金的蠕變性能迅速降低。

（4） 650 ℃時，試驗合金中初生α相體積分數約為15%。添加0～0.9% Mo，隨著Mo含量的增加，試驗合金的蠕變性能迅速降低。

2.3 Mo對合金熱穩定性能的影響

圖6和圖7分別為熱處理制度Ⅰ（初生α相體積分數為30%～40%）和Ⅱ（初生α相體積分數約為15%）條件下，不同Mo含量的試驗合金的熱穩定性能。

圖6 熱處理制度Ⅰ條件下不同Mo含量的試驗合金的熱穩定性能

Fig.6 Thermal stability of test alloy with different Mo contents heat treated by heat treatmentⅠ

圖7 熱處理制度Ⅱ條件下不同Mo含量的試驗合金的熱穩定性能

Fig.7 Thermal stability of test alloy with different Mo contents heat treated by heat treatmentⅡ

由圖6可見，熱處理制度Ⅰ條件下，試驗合金經630和650 ℃熱暴露后，試驗合金的伸長率和斷面收縮率均在1%這個極小的范圍內波動，Mo含量對試驗合金熱穩定性能的影響不顯著。熱處理制度Ⅱ條件下，如圖7所示，0.6% Mo對試驗合金的熱穩定性能有很好的改善作用。

3 結 論

（1） Mo可以細化試驗合金中等軸初生α相和β轉變組織中的片狀次生α相，能在較小幅度降低室溫塑性的前提下，顯著提高試驗合金的室溫強度，但對650 ℃高溫強度和塑性影響不顯著。

（2） 隨著初生α相體積分數的增加，試驗合金的高溫持久性能下降，蠕變性能提高，630和650 ℃條件下，Mo的作用存在差異。

（3） 在較低固溶溫度下（試驗合金中初生α相體積分數為30%～40%），Mo含量對試驗合金熱穩定性能的影響不顯著。較高固溶溫度下（初生α相體積分數約15%），0.6% Mo對試驗合金的熱穩定性能有較好的改善作用。

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