系列Mo-Ti-Zr材料組織性能研究

付靜波，楊秦莉，趙 虎，王 娜，卜春陽，莊 飛

(金堆城鉬業股份有限公司技術中心，陜西 西安 710077)

0 引 言

鉬具有高熔點(2 620 ℃)、低熱膨脹系數、高熱導率、高耐磨性，以及高彈性模量和良好的耐腐蝕能力，但是由于其高的室溫脆性和低的再結晶溫度限制了其在高溫領域的使用。Mo-Ti-Zr-C系TZM鉬合金是以難熔金屬鉬為基體，添加少量合金元素組成的一種非常典型的高溫鉬合金，與純Mo相比，TZM鉬合金具有更高的再結晶溫度(比純鉬高300～400 ℃)、更高的室溫和高溫力學性能，在1 400～2 000 ℃場合作為高溫結構材料等具有很重要的用途，并正在航空航天、國防軍工、原子核能、電子信息等尖端技術領域發揮越來越大的作用。如在航空航天和發動機中用作高溫抗燒蝕材料和高溫結構承載部件，火箭鼻錐、發動機噴管、飛行器前緣、方向舵、隔熱屏、蜂窩結構等。在核能利用領域，TZM合金高的高溫持久強度以及優良的抗中子輻射能力，使其在核能源設備上被廣泛使用，如輻射罩、支撐架、熱交換器、軌條，以及氣體冷卻反應堆的包套材料和堆芯結構材料等[1-5]。

隨著航空、航天以及原子核能等前沿領域的發展，對鉬金屬的性能要求日趨苛刻，TZM合金已經不能完全滿足上述領域需求[6-8]。因此，開發具有更高室溫、高溫力學性能的鉬及鉬合金，并拓展其應用領域成為當下鉬研究工作者的重要任務。本研究是在常規TZM合金的基礎上，采用粉末冶金方法制備出鋯含量不同的Mo-Ti-Zr系列材料，并對其組織與性能進行了系統研究。

1 材料制備及加工

所用主要原料有高純鉬粉，純度為99.5%的TiH2、ZrH2及純碳粉等。將費氏粒度3 μm的高純鉬粉與粒度為10 μm 的TiH2、ZrH2以及純碳粉等按比例混合均勻，經冷等靜壓壓制成單重5 kg的壓坯，壓坯經1 980 ℃燒結，得到厚度為25 mm左右的燒結坯料，試驗坯料對應的主要化學成分見表1。試驗材料在1 300 ～1350 ℃下進行開坯，軋制得到4～5 mm板材。對軋制板材在1 200 ℃進行去應力退火處理，保溫時間2 h。

表1 試驗材料主要化學成分 %

2 試驗過程

金相試樣從燒結坯上截取，經電解拋光和化學腐蝕在LEICAMEF4M型金相顯微鏡下觀察；在MTS810材料試驗機上測試去應力態試驗板材的室溫拉伸性能；試驗板材的高溫拉伸試驗在高溫真空拉伸試驗機上進行，所用標準為GB/ T4338-2006，檢測溫度為800 ℃；室溫、高溫拉伸斷口形貌在HITACHI S-3400型掃描電鏡上進行觀察；材料的抗彎性能在萬能材料試驗機上進行，標準為GB/T 31967.2-2015。試驗采用三點彎曲法進行測量，加載速率為1.0 mm/min。

3 結果與分析

3.1 金相顯微組織

圖1為試驗材料燒結態金相組織。從圖1可以看出，1#材料晶粒尺寸為10～20 μm(圖1a)；2#材料相對1#材料晶粒尺寸略有減小(圖1b)；3#、4#材料相對1#材料晶粒尺寸減小較為明顯，大約為10～15 μm(圖1c、圖1d)；5#、6#材料相對1#材料晶粒尺寸減小最為明顯，此時晶粒尺寸大約為5～10 μm(圖1e、圖1f)。

圖1 試驗材料燒結態金相照片

圖2為試驗材料燒結坯的硬度檢測結果。從圖2可以看出，1#材料燒結態的硬度最低，為HRA51.7，2#材料硬度相對于1#略有增加，為HRA52.1；3#、4#、5#、6#材料硬度相對于1#、2#均有明顯增加，其中6#增加幅度最大，達到HRA 56.3。另外，試驗材料的硬度值均高于常規純鉬材料(常規鉬燒結態的硬度一般為HRA48左右)。

圖2 試驗材料燒結坯硬度檢測結果

3.2 室溫拉伸性能研究

表2為4 mm厚試驗板材去應力退火后的室溫拉伸力學性能檢測結果。從表2可以看出，試驗板材的室溫抗拉強度均在900 MPa以上，屈服強度均在800 MPa以上。其中1#板材室溫抗拉強度為921 MPa，屈服強度為830 MPa，延伸率為6.5%；2#板材室溫力學性能相對于1#未見明顯變化，其室溫抗拉強度為928 MPa，屈服強度均在835 MPa，延伸率為8.2%；3#、4#板材室溫力學性能相對于1#、2#明顯提高，其中4#板材室溫抗拉強度為948 MPa，屈服強度為875 MPa，延伸率為9.5%；5#板材與1#室溫抗拉強度、屈服強度相當，但延伸率明顯增加；與1#、2#、3#、4#、5#板材相比，6#板材室溫抗拉強度、屈服強度以及延伸率均明顯增加，其室溫抗拉強度達到975 MPa，屈服強度均在886 MPa，延伸率為16.7%。

表2 4 mm厚試驗板材室溫拉伸力學性能

圖3為4 mm厚試驗板材室溫拉伸斷口形貌。從圖3可以看出，1#、2#、3#、4#板材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，此時板材延伸率偏低；而5#、6#板材的室溫拉伸斷口形貌發生了變化，其明顯差異是出現更多更薄的撕裂嶺，而且存在少許韌窩，因此其拉伸結果表現為具有一定的塑性變形，延伸率增加。

圖3 4 mm厚試驗板材室溫拉伸斷口形貌

3.3 高溫拉伸性能研究

圖4為4 mm厚試驗板材去應力退火后800 ℃高溫拉伸性能檢測結果。從圖4可以看出，試驗板材800 ℃抗拉強度在680～740 MPa之間，屈服強度610～660 MPa之間，延伸率在5.9%～8.3% 之間。其中1#板材高溫抗拉強度為684 MPa，屈服強度均在613 MPa，延伸率為5.9%；2#、4#板材高溫力學性能相對于1#略有提高，2#、4#板材的高溫抗拉強度分別為694 MPa、688 MPa，屈服強度分別為625 MPa、623 MPa，延伸率分別為5.0%、6.6%；5#板材高溫力學性能相對于1#變化明顯；其中5#高溫抗拉強度為703 MPa，屈服強度均在634 MPa，延伸率為7.2%；3#、6#板材高溫力學性能相對于1#提高最為明顯，3#、6#板材的高溫抗拉強度分別為736 MPa、732 MPa，屈服強度分別為643 MPa、656 MPa，延伸率分別為6.8%、8.3%。

圖4 4 mm厚試驗板材高溫拉伸力學性能

圖5為4 mm厚板材高溫拉伸斷口形貌。高溫拉伸后試驗材料的斷口均出現大小不一的韌窩。一般地，材料塑性越好，韌窩越大。從圖5可以看出，6組材料經800 ℃高溫拉伸后，其斷口形貌呈現為多個韌窩狀，而且，相較于1#、2#、3#、4#材料，5#、6#材料的韌窩稍有增大，這主要是因為5#、6#板材具有優于1#、2#、3#、4#材料的塑性。

圖5 4mm厚板材高溫拉伸斷口形貌

3.4 抗彎性能研究

圖6為4 mm厚試驗板材室溫抗彎性能柱狀圖。

圖6 試驗板材室溫抗彎性能檢測結果

從圖6可以看出，試驗板材室溫抗彎強度在1 470～1 700 MPa之間。其中1#板材室溫抗拉強度為1 523 MPa；2#板材室溫抗彎性能相對于1#略有提高，其值為1 532 MPa；3#材料板材室溫抗彎性能相對于1#提高明顯，其值為1 560 MPa；4#、5#板材室溫抗彎性能相對于1#未見明顯變化，甚至略有下降，4#、5#板材室溫抗彎性能分別為1 518 MPa、1 528 MPa；6#板材室溫抗彎性能相對于1#提高最為明顯，其值達到1 692 MPa。

4 結 論

(1)試驗材料燒結態晶粒尺寸為5～20 μm，而且隨著Zr含量的增加，組織越來越細小，硬度越來越大；

(2)試驗板材的室溫抗拉強度均在900 MPa以上，屈服強度均在800 MPa以上，Zr含量為1.8%時，材料的室溫強度與塑性均達到最佳；

(3)試驗板材800 ℃抗拉強度在680～740 MPa之間，屈服強度610～660 MPa之間，Zr含量為0.8%或者1.8%時，材料的強度與塑性達到最佳；

(4)試驗板材室溫抗彎曲強度在1 470～1 700 MPa之間，Zr含量為0.8%時，室溫抗彎性能提高明顯；Zr含量為1.8%時，材料的抗彎性能最佳。