Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系高溫鈦合金的制備及其力學性能研究*

林宗德，李省委

(閩南理工學院 工業機器人測控與模具快速制造福建省高校重點實驗室，福建 石獅，362700)

0 引 言

近二十年來，鈦及鈦合金越來越受到人們的廣泛關注[1-4]。鈦合金以其比強度高、耐蝕性好、耐熱性高等優點被應用于航空航天、汽車、醫療等行業[5-8]。隨著經濟技術的發展，對鈦合金的要求也越來越高。作為一種航空航天材料，鈦合金也存在著一些弊端。鈦合金應用的主要限制是在高溫時與其它材料的化學反應性差，此性質迫使鈦合金與一般傳統的精煉、熔融和鑄造技術不同，甚至經常造成模具的損壞[9-11]。而鈦合金價格昂貴也是限制其發展的一個關鍵因素。

鈦合金中的合金元素的種類及含量會對合金的組織形貌產生影響，而合金的組織形貌又會決定鈦合金的各項性能指標[12]。Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系合金因其高的高溫強度、蠕變性能、疲勞強度和熱穩定性等，成為了當前應用最廣泛的高溫鈦合金系[13-14]。高溫鈦合金的極限溫度在600 ℃左右，超過該溫度后，鈦合金的抗氧化性能和蠕變性能會急劇下降，因此，600 ℃也成了鈦合金的一個臺階[15]。對于Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系合金來說，由于是近α系鈦合金，如果合金基體中加入少量β相可提高合金的塑性[16]。而高溫鈦合金中的Ti、Al、Sn、Zr、Mo和Si這6種元素的含量對合金的性能有著重要影響[17]。近幾年來，越來越多的學者開始關注鈦合金元素含量、熱處理等與合金性能之間的關系[18-19]。郭佳林等[20]研究了Mo對650 ℃高溫鈦合金組織和性能的影響，研究發現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。朱郎平等[21]研究了熱處理對高溫鈦合金TG6鑄造組織及性能的影響，研究表明TG6合金在鑄態下為晶粒粗大的魏氏組織，組織中存在縮松缺陷，經過750 ℃退火熱處理后，組織中β板條部分溶解,并析出(TiZr)6Si3硅化物，合金的室溫拉伸延伸率提高到5%以上。因此，本文選擇Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系合金為基礎材料，通過改變Sn的摻雜比例，制備出Ti-6Al-xSn-4Zr-1Mo-0.8Si-0.5B高溫鈦合金(x=2，4，6，8)，并對其形貌和力學性能進行了分析研究。

1 實 驗

1.1 實驗原材料

根據高溫鈦合金的總質量和成分計算出各成分所需質量，樣品制備原料分別選用塊狀純金屬，實驗原料包括：0級海綿鈦(99.80%(質量分數))、高純鋁塊(99.99%(質量分數))、高純錫塊(99.97%(質量分數))、海綿鋯(99.99%(質量分數))、純鉬(99.95%(質量分數))、純硅(99.50%(質量分數))、B粉(99.50%(質量分數))。

1.2 樣品的制備

選擇Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α合金，通過改變Sn的含量，制備4種不同Sn含量Ti-6Al-xSn-4Zr-1Mo-0.8Si-0.5B高溫鈦合金樣品，x分別取2，4，6和8，設計每組鈦合金樣品的質量為1 200 g。制備過程如下：采用自購RVIM-3 型高活性合金真空感應熔煉爐，將稱量好的原料加入到坩堝中，熔煉前先將模具預熱到350 ℃下3 h，保證不受水汽成分等影響，為了保證成分的均勻性，對鋼錠進行3次翻轉和重熔，在熔煉過程中，充入氬氣為保護氣氛，在1 000 ℃下熔煉12 h后隨爐冷卻到室溫，將得到的樣品進行線切割，最后采取拋光處理。

1.3 樣品的測試與表征

將制備的高溫鈦合金樣品切割成尺寸為10 mm×10 mm×5 mm的方塊試樣，選取SiC砂紙進行打磨，采用丙酮超聲清洗干凈后進行性能測試。采用X射線衍射儀(XRD，Bruker D8 Advance)對樣品進行物相分析；使用透射電子顯微鏡(TEM，JEOL JEM- 2010F)和場發射掃描電子顯微鏡(SEM，日立FE-4800型)對樣品的顯微結構和組成進行分析；采用Instron-5569型電子萬能材料試驗機在室溫條件下對樣品的力學性能進行測試分析。

2 結果與討論

2.1 XRD分析

圖1為不同Sn摻雜比例的高溫鈦合金樣品的XRD譜圖。從圖1可以看出，4種高溫鈦合金樣品都結晶良好，且均為α相組合而成。樣品中雖然摻雜有Mo和Si等β相穩定元素，但并未出現β相，這可能是因為所摻的合金元素含量較少。

圖1 不同Sn摻雜比例的高溫鈦合金樣品的XRD譜圖Fig 1 XRD patterns of high temperature titanium alloys with different Sn doping ratios

2.2 SEM和TEM分析

圖2為不同Sn摻雜比例的高溫鈦合金樣品的SEM圖。從圖2可以看出，4種高溫鈦合金樣品均由板條α相組成，這一結果與XRD衍射結果相吻合。由圖2(a)～(d)可知，隨著Sn含量的增加，板條的寬度逐漸變大，這是由于Sn含量的增加導致了高溫鈦合金的相變溫度增加，因而在冷卻過程中高相變溫度的鈦合金其元素的擴散速率更快，從而相變時間更長，α晶粒的生長時間就會更長，導致板條寬度增加[22]。

圖2 不同Sn摻雜比例的高溫鈦合金樣品的SEM圖Fig 2 SEM images of high temperature titanium alloys with different Sn doping ratios

為了更清楚地觀察Sn對鈦合金微觀組織的影響，通過透射電子顯微鏡對Sn含量為2%和8%(質量分數)的高溫鈦合金樣品進行了微觀組織觀察。圖3為不同Sn摻雜比例的高溫鈦合金樣品的TEM譜圖。從圖3(a)可以看出，當Sn含量為2%(質量分數)時，高溫鈦合金中α板條的寬度在0.3 μm左右，并且板條中的位錯等缺陷并不明顯。從圖3(b)可以看出，當Sn含量增加到8%(質量分數)時，高溫鈦合金中α板條的寬度在0.6 μm左右，且在板條內部同時出現大量位錯及層錯。說明Sn含量的增高，使得高溫鈦合金發生了晶格畸變，增加了位錯密度，而位錯和缺陷的存在對原子滑移產生了阻礙作用，使得高溫鈦合金的強度得到提升。即隨著Sn含量的增加，高溫鈦合金層錯能逐漸降低，位錯密度增加，強度得到提升。

圖3 不同Sn摻雜比例的高溫鈦合金樣品的TEM譜圖Fig 3 TEM spectra of high temperature titanium alloys with different Sn doping ratios

2.3 力學性能分析

對4種不同Sn摻雜比例的高溫鈦合金在常溫下進行拉伸實驗，結果如圖4所示。從圖4可以看出，隨著Sn含量的增加，高溫鈦合金的延伸率呈現逐漸下降的趨勢，當Sn含量為8%(質量分數)時，高溫鈦合金僅在延伸1.83%處就發生了斷裂，相比Sn含量為2%(質量分數)時的7.86%處，降低了76.72%。

圖4 不同Sn摻雜比例的高溫鈦合金樣品的拉伸應力-應變曲線Fig 4 Tensile stress-strain curves of high temperature titanium alloys with different Sn doping ratios

將4種不同Sn摻雜比例的高溫鈦合金樣品的屈服強度、抗拉強度和延伸率進行匯總，結果如表1所示。由表1可知，隨著Sn含量的增加，高溫鈦合金的屈服強度呈現逐漸上升的趨勢，抗拉強度呈現先上升后下降的趨勢，延伸率呈現逐漸下降的趨勢。當Sn含量為8%(質量分數)時，高溫鈦合金的屈服強度最大，為1466.74 MPa；抗拉強度最小，為1560.38 MPa；延伸率最小，僅為0.68%，相比Sn含量為2%(質量分數)時的6.13%，下降了88.91%。

表1 不同Sn摻雜比例的高溫鈦合金樣品的拉伸性能

圖5為不同Sn摻雜比例的高溫鈦合金樣品的拉伸斷口SEM圖。對比圖5(a)和(b)可以以發現，兩種高溫鈦合金拉伸斷口的韌窩都不太明顯，Sn含量為2%(質量分數)的合金的撕裂棱長比Sn含量為4%(質量分數)的合金更長，表明在拉伸過程中圖5(a)的形變量要多于圖5(b)。圖5(c)和(d)的斷面都相對平整，Sn含量為6%(質量分數)的合金的撕裂棱長比Sn含量為8%(質量分數)的合金更長，表明圖5和(d)在拉伸過程中發生的斷裂更為集中。

圖5 不同Sn摻雜比例的高溫鈦合金樣品的拉伸斷口SEM圖Fig 5 SEM images of tensile fracture of high temperature titanium alloys with different Sn doping ratios

3 結 論

(1)XRD分析發現，4種不同Sn含量的高溫鈦合金都結晶良好，且均由單一的α相組合而成，未發現β相。

(2)SEM和TEM分析發現，4種高溫鈦合金樣品均由板條α相組成，隨著Sn含量的增加，板條的寬度逐漸變大；當Sn含量從2%(質量分數)增加到8%(質量分數)時，α板條的寬度從0.3μm左右逐漸增加到0.6μm左右。說明隨著Sn含量的增加，高溫鈦合金層錯能逐漸降低，位錯密度增加，強度得到提升。

(3)力學性能分析可知，隨著Sn含量的增加，高溫鈦合金的屈服強度呈現逐漸上升的趨勢，抗拉強度呈現先上升后下降的趨勢，延伸率呈現逐漸下降的趨勢。當Sn含量為8%(質量分數)時，高溫鈦合金的屈服強度最大，為1 466.74 MPa；抗拉強度最小，為1 560.38 MPa；延伸率最小，僅為0.68%。