TZM 鉬合金研究現狀及強化機理

羅 剛

（南昌航空大學，江西 南昌 330063）

1 鉬和TZM鉬合金的介紹

1.1 鉬

金屬元素鉬的元素符號：Mo，它的英文名稱為：Molybdenum，鉬的原子序數為42，密度、熔點、沸點分別為：10.2g/cm3、2610℃、沸點為5560℃，常被作為高溫金屬而應用于生產工作中。表1 與表2 是鉬的一些屬性性能參數。

表1 鉬的主要物理性能

表2 鉬的室溫力學性質

鉬作為一種常用的高溫金屬，最早被發現是在1778 年，因其具有強度大、硬度高、熔點高等特點而被化學工業、冶金工業、金屬加工工業、航空及核能技術等眾多領域被廣泛應用，是為數不多的較具戰略意義的稀有金屬之一[1]。但同時，純鉬也因為其在大于等于1000℃的使用環境中，反復出現結晶這一現象，鉬合金材料容易出現脆化，耐拉伸強度會有所降低，由于這一缺陷的存在，導致鉬合金在工業中的應用較少[2]。

1.2 TZM 鉬合金

由于金屬鉬的性能缺陷使得金屬鉬無法在實際的工業生產中進一步得到應用，TZM 鉬合金應運而生。

世界各國無數著名學者在改善金屬鉬性能的道路上進行了成千上萬次的研究嘗試，至今為止最為有效的做法是利用固溶強化的機理對鋁金屬進行合金化，將各種微量元素摻雜在純鉬金屬中，使得到的鉬基合金不僅具有鉬金屬本身的優良性質，而且強度大大增強，從而實現彌補鉬金屬缺陷，提高材料性能的愿景[3-5]。表3 是TZM 鉬合金的主要成分及含量表。

表3 TZM 鉬合金的成分

2 TZM鉬合金的研究現狀

2.1 國外對鉬合金的研究

歐美發達國家對鉬及鉬合金相關研究涉及較早，對于鉬合金的相關研究處于領先水平。例如，T.Mrotzek 等人研究TZM鉬合金在進行熱軋強化后合金性能發生了何種變化[6]。得出了TZM 鉬合金的亞晶粒會使得TZM 合金的活化能增高，從而提升合金再結晶溫度，美國的Cleveland 和HC.Starck 公司通過采用電弧熔煉法成功制備了Mo-0.5Ti-0.008Zr 和Mo-0.5Ti-0.1Zr 這兩種合金，并且能使其氧含量控制在0.002%以下，硅的含量也可以控制在10mg/kg 以下。這些研究都為歐美鉬合金的研究和發展產生了重大影響。

2.2 國內鉬合金研究現狀

我國地大物博，占有世界總儲量三分之一的鉬資源。我國的鉬資源主要集中分布在河南、吉林、山東、遼寧、山西五省。在以上這幾個省份中陜西省對于鉬合金生產是最早的，目前已經成為了我國鉬金屬最大的生產地，并與河南的欒川鉬業和遼寧的葫蘆島鉬業成為全國前三鉬業生產基地。

雖然我國鉬資源豐富，但是對鉬合金研究的起步晚于歐美，尚有很多方面還處于試驗階段，例如中南大學的盧明園等人[7]，主要研究Mo-Ti-TiC 合金，這種合金TiC 的含量在0.05～0.25wt.%及2～12wt.%之間，在室溫及800℃下，通過對不同成分合金的顯微組織形貌進行分析對比，以及不同成分的合金的拉伸性能測試，得出了微量TiC 的添加可以使合金的強度得到提升，其中，使合金得到較好力學性能的TiC 的含量，以及使合金的強度提高幅度最大的TiC 的添加量分別為2～12wt.%和0.05wt.%。；使合金在室溫和800℃的拉伸的強度達到了最高的TiC 含量的值為4wt.%。

另外還有上海大學的孫遠、王妍等人[8]，以及河南科技大學的楊松濤、李繼文等人[9]，分別通過對TZM 合金（Ti-0.39wt.%、Zr-0.093wt.%、C-0.017wt.%）在1100℃-1600℃六個不同溫度下進行退火處理后的試樣再結晶行為和純鉬板的高溫變形行為進行了系統研究，分別得到了不錯的研究成果。

國內鉬產品科研單位有中南大學粉末冶金國家重點實驗室、北京有色冶金設計研究總院、天津硬質合金研究所、西北有色金屬研究院、長沙有色冶金設計研究院、西安交通大學材料學院、洛陽有色金屬加工設計研究院、安徽冶金科研所、北京工業大學。國內利用粉末冶金法來制備最大直徑為p40mm 的棒材以及大型的TZM 合金板材已經在上海鋼鐵研究所和北京鋼鐵研究總院的共同努力下獲得成功；由寶鈦集團生產的TZM 板材和棒材生產也已經初具規模，而且在用戶當中收到了不俗的反應[10]。

3 TZM鉬合金的強化機理

讓鉬金屬獲得更高的強度、塑性、耐熱性、耐腐蝕性以及高溫抗氧化性等優良性質是鉬金屬合金化的目的。當下廣泛使用于世界范圍內的主要強化手段有：固溶強化、彌散強化、形變強化以及細晶強化[11]。

3.1 固溶強化

固溶強化是指固溶體的強度硬度隨溶質原子含量的增加而升高，固溶體的塑性韌性隨溶質原子含量的增加而下降的現象。TZM 鉬合金的固溶強化機理主要是由鉬基體里溶解少量的鈦、鋯、碳等元素，使鉬的晶格發生畸變。

固溶強化的一般規律為：①溶劑原子和溶質原子的尺寸差越是大，強化的效果也越是顯著；②質量分數越大的合金元素，在固溶體的溶解度范圍內的強化作用就越大；③溶劑原子和溶質原子的價的電子數差越大，那么強化作用就越大；④能形成間隙固溶體的溶質元素的固溶強化作用大于會形成置換固溶體的元素。

經過對比發現，尺寸差別因子最大的是鋯元素和鉬元素的，因而鋯對鉬的固溶強化效果要比鈦元素好。而碳元素和鉬元素的尺寸因子雖然也相差很大，但是因為碳元素在鉬元素中的溶解度特別小，而且碳還會發生還原反應，因此TZM 鉬合金的固溶強化是以Mo-Ti、Mo-Zr 固溶體強化為主的[12]。

3.2 彌散強化

通過在均勻的材料中摻入硬質顆粒從而達到材料強化目的的強化手段叫做彌散強化。

在TZM 鉬合金中，多種金屬元素發生反應形成了ZrC 和TiC，此時，合金中出現部分ZrO 質點[13]，鉬合金出現變化過程中，會產生錯位移動狀況，因此，會對合金產生彌散強化的效果。

3.3 形變強化

形變強化顧名思義就是使目標產生形變，進而使目標得到強化的手段。經過多次較為詳實的試驗，得到了如下TZM 鉬合金發生變形前后的試驗相關數據。從試驗數據中我們可以推斷出，在常溫環境下或者高溫環境下，TZM 鉬合金施加強化變形后，其拉伸強度都得到了明顯的提高。

表4 TZM 鉬合金形變強化前后的拉伸強度

TZM 鉬合金棒材制備過程中，常用的變形強化方法為熱擠壓法。完成擠壓后，鉬合金在垂直擠壓方向和擠壓方向的性能發生變化。主要由于鉬合金在擠壓過程中，非軸向和強制性的應力加劇了合金組織的形變。所以，鉬合金在擠壓方向的垂直方向上呈現出脆性，沿著擠壓軸方向則表現出延性[14]。

3.4 細晶強化

細晶強化指的是通過對晶粒粒度大小的細化來使金屬的強度得到提高，因為金屬通常都是由許多的晶粒組成的多晶體，而晶粒的大小能用單位體積內晶粒的數目來表示，晶粒數目越多，則晶粒越細。

晶粒細化之后，一是可以使晶界增多，從而使位錯滑移的行程變短，讓變形更加的均勻；另外還可以使單位體積內的晶界面積得到增大，在雜質的總濃度不變的條件下，降低晶界雜質濃度，從而使合金獲得更加良好的特性和性能[15]。

4 結語

TZM 鉬合金相較于純鉬具有更好的高溫強度和更好的室溫塑性，因此比純鉬的應用要更加的廣泛，TZM 鉬合金在以前和現在的社會發展和科技進步中都發揮了極為重要的作用，尤其是在航天和軍事工程領域中的應用是其他金屬所難以取代的，例如火箭噴嘴、裝甲車引擎、噴管喉襯、燃氣管道等。隨著現代工業的高速發展，未來的生產工藝肯定會對鉬合金的性能提出更加高苛的要求，但我們可以預見，隨著TZM 鉬合金的繼續研究開發，以及鉬合金新工藝的出現，TZM 鉬合金的研究和發展一定會更加的成熟完善，為未來世界范圍內的生產生活做出更大的貢獻。而更加深入的了解和分析TZM 鉬合金強化機理，正是這一切美好未來的前提和基礎，具有十分重要的意義，也是無數科技工作者的迫切要求。