退火溫度對TZM板再結晶行為和力學性能的影響

闞金鋒，王廣達，郭雪琪，張保紅，吳朝圣

(1.安泰科技股份有限公司，北京 100081) (2.安泰天龍鎢鉬科技有限公司，天津 301800)

0 引 言

金屬鉬具有熔點高，熱膨脹系數低以及耐熱疲勞性能好等優點，因此被廣泛用作高溫材料。但是純鉬材料也存在較明顯的性能缺陷，即再結晶溫度低和室溫強度低、脆性大等，這嚴重制約了其在高溫領域中的應用[1-2]。TZM(0.4%～0.6%Ti，0.07%～0.12%Zr，0.01%～0.04%C)合金[3]是鉬基合金中常用的一種高溫合金，也是目前商業用途中一種重要的高溫合金。與純鉬材料相比，TZM合金再結晶溫度較高，高溫力學性能更為優良，并具有良好的抗腐蝕性，在航空、航天、核能等領域得到廣泛應用[4]。如基于其優良的高溫力學性能，可被用來制造核能源的耐熱部分、航天器的散熱面板、火箭發動機的噴嘴，魚雷發動機中承受高溫的配氣閥體等；基于其對金屬液體的良好抗腐蝕性，可被用來制作如玻璃熔爐中的攪拌主軸等；還可用于X-射線旋轉陽極零件，壓鑄模具，先進難變形材料的等溫鍛造模具、高溫爐中的發熱體、隔熱屏等[5]。

本文作者通過粉末冶金和軋制變形技術制備出1 mm的TZM合金板材，然后將TZM合金板加工成試樣，并進行了800～1 500 ℃的退火試驗，溫度間隔為50 ℃，來研究退火溫度對TZM合金板材的微觀組織形貌演變和室溫/高溫性能的影響，為制備高性能TZM合金打下基礎。

1 試驗材料與方法

采用粉末冶金方法制備TZM合金，成分設計為Mo-0.45Ti-0.07Zr-0.09C，原料TiH2粉、ZrH2粉由上海水田材料科技有限公司生產，碳以石墨粉的形式加入，純鉬粉由金堆城鉬業股份有限公司生產。將選好的粉末置于三維混料機中混合24 h后裝入模具，壓制壓力140～160 MPa，保壓5～10 min。然后將壓坯置于中頻感應燒結爐內進行燒結，燒結過程中向燒結爐內通入純度為99.99%的氫氣，燒結溫度2 100 ℃，保溫6 h，得到TZM合金燒結坯料。

燒結后的坯料經過1 450 ℃開坯、熱軋、冷軋和堿洗工序，最終軋制成1mm厚的TZM合金板材。

采用Olympus GX51金相顯微鏡觀察分析TZM合金的微觀組織，腐蝕劑為NaOH和K3Fe(CN)6水溶液；使用HVS-50數顯維式硬度計測試合金硬度，總試驗力為294.2 N(HV30)，加載時間為10 s；使用20T CMT5205電子萬能拉伸機測試合金室溫拉伸性能，拉伸速度為1 mm/min。

圖1(a)為高溫抗彎試驗前示意圖，將加工好的TZM抗彎試樣置于工裝上，試樣兩端與工裝固定，兩工裝間的距離為100 mm，在試樣中心位置施加1.3 kg的載荷，試驗條件為1 100 ℃保溫1 h。圖1(b)為高溫抗彎試驗后示意圖，測試變形量的方法為測試變形后的最低點距離合金板材水平方向的垂直距離。

圖1 高溫抗彎試驗示意圖

2 結果與討論

2.1 退火溫度對TZM合金顯微組織的影響

據相關資料報導[2]，純鉬開始再結晶(通常再結晶溫度<1 000 ℃)后，材料將發生較為明顯的脆化，強度有較大下降。圖2為TZM合金板經過不同退火溫度退火后的組織情況。從圖2可以看出：當退火溫度低于1 100 ℃時，組織呈明顯的纖維狀組織，當溫度增至1 150 ℃時，組織開始發生再結晶，但是纖維狀的組織痕跡依然清晰可見，并且隨著退火溫度的升高，再結晶顆粒數量也在不斷增加，當溫度進一步升至1 250 ℃后，此時的組織已經完全再結晶化。

圖2 TZM合金板材不同退火溫度的顯微組織

TZM合金相比純Mo材料再結晶溫度高的原因為：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，保持著較高的位錯密度，延緩了再結晶核心的形成[4]。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。

2.2 退火溫度對硬度值的影響

圖3為TZM合金板材經過不同退火溫度退火處理后的硬度值情況。由圖3可以看出：隨著退火溫度的不斷升高，TZM合金的硬度值呈現出不斷降低的趨勢。溫度低于1 100 ℃時，硬度值呈緩慢降低的趨勢，當溫度達到1 150 ℃后，硬度值開始顯著地下降，隨著溫度進一步升高至1 250 ℃后，硬度值降低幅度又開始變緩。

圖3 不同退火溫度TZM合金板材硬度值情況

2.3 退火溫度對室溫力學性能的影響

圖4為TZM合金的室溫抗拉強度、延伸率與退火溫度的關系曲線。從圖4可以看出：隨著退火溫度的升高，TZM合金呈現出抗拉強度不斷降低，延伸率不斷增加的規律。當退火溫度低于1 100 ℃時，抗拉強度和延伸率均呈現緩慢的變化(增加或降低)，當溫度升至1 150 ℃后，抗拉強度開始發生顯著降低，延伸率顯著增加，當溫度提高至1 250 ℃后，抗拉強度和延伸率的增幅又開始趨于平穩變化(增加或降低)。

圖4 不同退火溫度TZM合金板材力學性能情況

圖5為不同退火溫度處理后的TZM合金板材室溫斷口形貌情況。由圖5可知：溫度低于1 100 ℃時，TZM合金微觀形態表現為韌性斷裂，當溫度達到1 150 ℃后，斷口的形貌開始逐漸向扇形解理斷口轉變。

圖5 不同退火溫度TZM合金板材斷口形貌情況

2.4 退火溫度對高溫抗彎性能的影響

圖6為不同退火溫度處理后的TZM合金板的高溫承重變形情況。由圖6可知：當退火溫度低于1 100 ℃時，隨著退火溫度的升高，TZM合金板的最大變形量略有增加，當退火溫度提高到1 150 ℃時，TZM合金板開始發生明顯變形，最大變形量達到0.68 mm，隨著溫度進一步升至1 250 ℃后，TZM合金板的最大變形量又趨于平緩，基本維持在1.0～1.1 mm之間。

圖6 不同退火溫度TZM合金板抗彎變形情況

綜上，對于體心立方晶格的金屬和合金都存有低溫脆性問題，因此其低溫延伸率較差[6]。軋制變形使TZM合金內部形成纖維組織，晶粒之間結合面積增大，晶間結合力增強，沿纖維取向上材料的力學性能大大提高，突出表現為抗拉強度的提高[7]。同時晶粒細小、晶界曲折、不利于裂紋傳播，從而在斷裂過程中試樣可以吸收更多的能力，表現出較好的室溫韌性和硬度。隨著退火溫度的升高，TZM合金開始發生再結晶，纖維狀組織開始斷裂，位錯、晶格畸變等缺陷被快速消除，從而使合金的延性增強，硬度值和抗拉強度下降，抵抗高溫變形的能力變差，同時斷口也開始由韌性斷口向脆性解理斷口轉變。

3 結 論

(1)TZM合金板的初始再結晶溫度為1 150 ℃，隨著退火溫度的升高，合金板的再結晶程度不斷增加，當溫度升至1 250 ℃時組織完全再結晶化。

(2)隨著退火溫度的升高，TZM合金板的硬度值不斷地降低，尤其是當溫度高于1 100 ℃后，退火溫度進一步提高時，其硬度值出現了顯著的降低，當溫度升至1 250 ℃后，其硬度值降低幅度變緩。

(3)當退火溫度低于1 100 ℃時，TZM合金板的抗拉強度緩慢降低，延伸率緩慢升高，退火溫度在1 100～1 250 ℃范圍內，隨著退火溫度逐漸升高，抗拉強度顯著降低，延伸率顯著增加，當溫度進一步升至1 250 ℃后，抗拉強度緩慢降低，延伸率緩慢升高。

(4)斷口形貌方面，溫度低于1 100 ℃時斷口呈現塑性纖維狀斷口，當溫度升至1 150 ℃后斷口形貌轉變為河流狀脆性斷口。

(5)高溫抗彎性能，退火溫度低于1 100 ℃時，TZM合金幾乎不變形，溫度升高至1 150 ℃時，開始發生顯著變形，溫度進一步升高至1 250 ℃后變形趨于平緩，最大變形量在1.0～1.1 mm之間。