TZM合金的性能及機理研究

馬全智

(金堆城鉬業股份有限公司，陜西西安710077)

0 前言

純鉬的主要缺點是脆性和高溫強度問題。當溫度超過800℃時，純鉬再結晶過程開始，伴隨再結晶過程晶粒開始長大，導致材料力學性能急劇下降，主要表現為：材料塑性變形強化效果消失；材料力學性能(抗拉強度、延伸率和屈服強度)急劇降低；材料由塑性材料向脆性材料轉變。為提高鉬的再結晶溫度、高溫強度和高溫抗蠕變性能，針對滿足不同應用要求，利用合金化技術開發了多種鉬合金，例如TZM合金、Mo-Re合金、稀土強化鉬合金、鉬鎢合金和Mo-AKS合金等。

TZM合金是一種最重要、用途最廣泛、需求量最大的鉬合金種類之一。由于其優良的高溫強度、低溫延性和良好的可焊接性能，TZM合金在工業中被大量用于加工高溫結構材料和模具材料，在醫療電子行業中用于雙金屬旋轉靶鉬基體和旋轉軸等。

1 試驗方法

TZM合金成分一般為：鈦含量0.45%～0.55%，鋯含量0.06%～0.12%，碳含量0.01%～0.04%。其中Ti以TiH2粉體，Zr以ZrH2形式加入，碳以碳黑形式加入。首先按照化學計量向鉬粉中加入TiH2、ZrH2，并按照設定含量加入碳黑；經過滾筒混料機混合后在150～200 MPa壓力下用冷等靜壓機壓制成設定尺寸的坯料；最后在氣氛為氫氣的中頻燒結爐內進行燒結。

對不同樣品在WD-10A型電子萬能試驗機上作各種溫度下的強度與延伸率的檢測，拉伸速度為2 mm/min，并記錄拉力隨拉伸時間的變化曲線。用JSM.T200型掃描電鏡和能譜分析儀上獲得了試樣的斷口形貌特征和成分分布特征。

2 試驗結果與討論

TZM合金是一種商品名稱，實際生產中因生產工藝差異，產品性能具有非常大的差異，這種差異主要體現在對某些成分的控制及材料力學性能上。一般來講，TZM合金成分相對易于控制，但其性能與合金組織控制、塑變工藝以及熱處理工藝密切相關。不合理的工藝將導致材料性能的急劇惡化。通過恰當的控制合金成分、組織以及塑變工藝，可以充分發揮材料的性能優勢，滿足材料的服役條件。

2.1 制備工藝對TZM合金材料組織和性能的影響

傳統的TZM粉末冶金制備工藝方法中，合金化元素以TiH2、ZrH2和碳黑前驅體形式加入鉬粉中，經過混料、壓制燒結制備燒結態坯料。傳統工藝制備TZM合金顯微組織的SEM分析結果表明在材料中存在黑色的富集第二相，電子探針分析表明第二相以Ti、Zr、O為主。

分析認為，在傳統工藝過程中，依靠的是TiH分解生成Ti原子，而分解溫度在800～1 200℃低溫階段，Ti無法完全溶解進入鉬基體，同時分解生成的Ti反應活性高易于與氧、氮等元素結合形成復合氧化物，復合氧化物的形成導致Ti的這種擴散均勻化過程被顯著削弱，無法使組織均勻性得到改善。

圖1 HM-TZM合金基體中的Ti、Zr富集相

傳統工藝制備的TZM中存在的富集第二相在應力狀態下易成為裂紋萌生源，當應力超過材料臨界應力，材料在缺陷處會發生突然斷裂，導致材料過早失效。

采用新的制備工藝，合金化元素以TiO2、ZrO2和碳黑前驅體形式加入鉬粉中，可以達到消除合金中的低熔點第二相，改善材料組織均勻性和提高材料性能的目的。

2.2 TZM合金的機械性能研究

TZM合金雖然強度較純鉬高，但是塑性差，變形加工困難。大多數牌號的TZM合金只能以燒結態出現。如果TZM合金能夠進行變形加工，則強度會大大提高。表1的數據說明了變形對TZM合金的強化效果。TZM合金變形強化后，強度提高，塑脆轉變溫度降低，塑性隨變形量增加而提高。

表1 TZM燒結態和變形態強度比較 MPa

TZM合金無論在室溫還是在高溫，其機械性能和再結晶溫度均高于純鉬。隨著溫度的提高，TZM合金與純鉬的性能差距也越大。表2列出在不同溫度下，試驗材料變形態TZM合金和變形態純鉬的抗拉強度。

表2 變形態TZM合金和變形態純鉬的抗拉強度 MPa

同時由于添加元素的強化作用，TZM合金的再結晶溫度高于純鉬。變形態純鉬在再結晶溫度以上使用時，由于晶粒發生再結晶，組織粗大，機械性能和加工性能降低。變形態純鉬的再結晶溫度在850～1 100℃之間，而經過鍛造或軋制后的TZM合金的再結晶溫度提高至1 350～1 600℃。

2.3 TZM合金中的強化機理

TZM合金的強化機理是利用Ti在鉬中的固溶實現固溶強化，利用鋯的碳化物或氧化物實現彌散強化，以及通過后續壓力加工實現的形變強化。

固溶強化主要是通過Ti、Zr、C原子進入Mo的晶格，使鉬的晶格發生扭曲。溶劑元素和溶質元素原子差別因子越大，固溶強化效果越明顯。

表3 Mo、Zr、Ti、Hf及其碳化物的某些物理性能

分析所提供的特性表明，根據原子直徑的數值，合金元素鋯與基體鉬區別最大。因而，在固溶強化的時候，根據作用效果的大小，鋯固溶強化效果較好。

在被研究的合金中都有碳是第二種強化機理即形成彌散的碳化物相的先決條件。同時，形成的碳化物相的各種特性在強化方面起著重要的作用。這些特性本身也影響碳化物相的分布和析出特點及其數量。例如，碳化物的晶格常數和類型、熔點等等能影響質點的數量、析出溫度范圍和它們的分布。

比較表3中列舉數據可以假設，當碳和合金元素的含量很高的時候，即碳化物相開始影響到金屬的高溫行為時，那么，ZrC相應當是最有效的。TiC由于其熔點明顯降低，可能很快聚集，組織變粗，因而沒有明顯的強化效果。

3 結論

(1)分析了合金元素的不同添加方式對TZM合金組織和性能的影響，并最終通過試驗過程確定了合金元素以氧化物的添加方式，有益于改善材料組織均勻性和提高材料性能。

(2)通過對比純鉬和TZM合金在不同溫度下的抗拉強度，得出TZM合金無論在室溫還是在高溫，其機械性能和再結晶溫度均高于純鉬。同時指出，變形態的TZM合金其機械性能和再結晶溫度均優于燒結態的TZM合金。

(3)通過對TZM合金中各個元素作用機理分析，得知Ti在鉬中主要起固溶強化作用，利用鋯的碳化物或氧化物實現彌散強化效果。

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