硼對TC4/B鈦合金鑄造組織與性能的影響

2012-10-31 05:53:14戚運蓮曾立英侯智敏盧亞鋒

鈦工業進展 2012年6期

戚運蓮，曾立英，侯智敏，洪權，盧亞鋒，趙彬

(西北有色金屬研究院，陜西西安 710016)

1 前言

鈦合金密度小、比強度高、抗腐蝕性能強，具有良好的高溫和低溫力學性能，是一種優良的結構材料，已廣泛應用于航空航天、軍事、民用等各個領域。隨著航空航天和尖端武器的發展，鈦合金鑄件得到越來越多的應用。尤其是近年來鈦精密鑄造技術的發展，使得批量鑄造生產一些結構復雜的裝備零件成為可能。采用這一近凈成形技術可以提高材料利用率，縮短生產周期，使裝備零件的制造成本大大降低。目前我國航空航天工業的鈦鑄件80%以上采用 Ti-6Al-4V(TC4)合金［1－4］。

相對于其他高強工程材料，鈦合金的彈性模量低，約為鋼的1/2，一般在110～125 GPa之間，使得按照剛度設計的結構件比按強度設計的零件要顯得厚大笨重一些。而對于細長和薄壁零件，由于鈦合金剛性差，在使用過程中容易變形，因此如何提高鈦合金的綜合性能是研究者一直關心的問題。一般來講，合金的彈性模量主要與合金成分和相組成有關。對于一種合金材料，只有經合金化后能形成顯著性能差異的第二相時，彈性模量才會有較明顯的變化。研究表明，合金中形成化合物如TiB、TiC及Ti3Al時，可明顯提高彈性模量;此外，α穩定元素含量和α相體積分數增加，也能提高彈性模量。由于B元素在鈦合金中主要以 TiB相的形式存在，而TiB相的彈性模量高達350～550 GPa，因此其存在于鈦合金中能顯著提高鈦合金的彈性模量。添加微量B元素將傳統鈦合金鑄件晶粒尺寸細化一個數量級，人們發現向傳統鈦合金中加入少量的B，其顯微組織及相關性能都會產生重大變化。首先，晶粒得以細化，強度和剛度都提高了，這就有可能研發出新型且經濟適用的加工工藝，提升傳統鈦合金的性能［5－8］。

本研究主要對TC4/B鈦合金鑄棒的組織和性能進行考察，期望該材料能夠獲得較為廣泛的應用。

2 實驗

實驗所用原材料為海綿鈦、鋁豆、純釩、純硼粉、鈦箔。將這些原料按一定比例混合壓制成電極塊，配制出含B 0.2%、0.5%、1.0%的鈦基復合材料。為保證材料成分均勻，在感應熔煉爐中熔煉1次，在非自耗真空電弧熔煉爐中，采用電磁攪拌熔煉，冷卻后翻轉合金鑄錠，重熔，反復熔煉4次。之后采用紫銅模具進行ZTC4/TiB鑄棒澆鑄。從鑄棒上線切割φ8 mm×10 mm試樣，用于顯微組織分析;線切割φ8 mm×40 mm試樣，用于彈性模量和拉伸性能測試。對鑄棒進行熱等靜壓處理，制度為:溫度920～930℃，氬氣壓力110～120 MPa，氬氣純度為99.995%，時間為2～3 h。在熱等靜壓處理后的鑄棒上取樣進行室溫拉伸性能檢測。

3 結果與討論

3.1 B對TC4/B鈦合金鑄棒彈性模量的影響

表l列出了TC4/B鈦合金鑄棒的彈性模量隨B含量的變化。由表1可以看出，未添加B元素的鑄態TC4鈦合金的彈性模量為108 GPa，添加B元素后鑄態TC4鈦合金的彈性模量明顯增大，彈性模量超過120 GPa，提高了15.7%～34.3%。這是由于生成了TiB增強相。隨著B元素添加量的增加，TC4鈦合金鑄棒的彈性模量呈現先提高再降低的現象，升高和降低的幅度分別為20 GPa和15 GPa。B元素添加量為0.5%時，TC4鈦合金鑄棒的彈性模量達到最高值145 GPa。

表1 TC4/B鈦合金鑄棒彈性模量Table 1 Elastic modulus of as-cast TC4/B titanium bar

3.2 B對TC4/B鈦合金組織及斷口形貌的影響

B元素含量對TC4鈦合金鑄態顯微組織的影響如圖1所示。可以看出，顯微組織由片層α、晶界β及第二相(TiB)組成，在Ti基體上析出大量第二相(TiB)并聚集在晶界上呈鏈狀分布，隨B含量增加，第二相的體積分數明顯增加。由圖1a、c、e可以看出，添加的B元素越多，顯微組織細化效果越明顯，當B含量為0.2%時(圖1b)，晶粒內部α形態為又長又粗大板條狀，當B含量為0.5%時(圖1d)，晶粒內部α形態細化為短粗板條，當B含量為1.0%時(圖1f)，晶粒內部α形態細化為針狀和細長板條。添加B元素不僅能夠細化TC4鈦合金的晶粒，而且還能細化晶粒內部片層α的尺寸［9］。

圖1 不同B含量的TC4/B鈦合金鑄棒顯微組織Fig.1 Microstructures of as－cast TC4/B titanium bar and its variation with B content

TC4/B鈦合金鑄棒室溫拉伸宏觀和微觀斷口形貌如圖2所示。從宏觀斷口(圖2a、c)上可以看到，斷口表面平整，都無明顯頸縮現象，宏觀斷面上呈沿晶斷裂，可見二次裂紋，斷裂起源位置不明顯，邊緣是與拉伸軸線約成45°方向的剪切唇;而圖2e斷面更平坦一些，可以看到一些小空洞，無二次裂紋。從微觀組織(圖2b、d)來看，整個斷口上有明顯的撕裂棱，圖2b斷面上有大小不等的韌窩且韌窩較深，圖2d韌窩較淺，斷面成沿晶斷裂，并伴有沿晶二次裂紋，為典型的延性沿晶斷裂。圖2f可以看出，斷面有解理小平面，還可以看到大量的長條狀斷裂平面。經對比分析發現，這些長條狀斷面與合金顯微組織中片層狀α相對應，可見斷裂是沿片層狀α相進行的。但圖2f中也有大量的淺韌窩存在，為混合型斷裂［10－12］。

圖2 TC4/B鈦合金鑄棒室溫拉伸斷口形貌Fig.2 SEM images of fracture surface of as－cast TC4/B titanium bar

3.3 B對熱等靜壓態TC4/B鈦合金性能的影響

TC4/B鈦合金鑄棒經熱等靜壓處理后的室溫力學性能見2。由表2可以看出，隨著B元素添加量的增加，TC4鈦合金鑄棒的抗拉強度明顯提高;B元素添加量為0.2%時，抗拉強度為995 MPa，B元素添加量為0.5%時，抗拉強度為1045 MPa，提高了5%;B元素添加量增加到1.0%時，抗拉強度為1205 MPa，提高了21.1%。同時，屈服強度變化趨勢與抗拉強度相同，提高幅度約為19.7%。而延伸率與斷面收縮率的變化與強度相反。隨著B元素添加量的增加，TC4/B鈦合金鑄棒的延伸率逐漸降低，在B元素添加量由0.2%增加到0.5%時，延伸率和斷面收縮率分別約降低9.3%和19.4%。當B元素添加量為1.0%時，延伸率有很大降低，降低了65.1%，斷面收縮率也降低了60.2%。綜上所述，隨著B元素添加量的增加，增強相提高了合金強度，也大大降低了其塑性，并且，隨著添加量的增加這種影響越來越大。塑性降低主要是因為B含量繼續增大時，TiB相顆粒的體積分數也增大，脆硬的TiB相聚集在晶界處，抵消了晶粒細化的效果，降低了合金的塑性［9］。