不同稀土含量Ti-600合金的高周疲勞性能

曾立英, 洪 權, 毛小南，戚運蓮, 趙永慶，蘇杭標

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

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不同稀土含量Ti-600合金的高周疲勞性能

曾立英, 洪 權, 毛小南，戚運蓮, 趙永慶，蘇杭標

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

研究了不同稀土含量的Ti-600合金光滑試樣在應力比R為0.1，加載頻率為100 Hz左右時的室溫高周軸向應力疲勞性能，并分析了稀土元素對該合金疲勞斷裂行為的影響。研究結果表明：107周次疲勞后，含0.1%(質量分數)Y和含0.2%(質量分數)Y的Ti-600合金以及Ti-1100基體合金的條件疲勞強度極限分別為537、500、605 MPa。這表明添加稀土元素Y后，合金的疲勞極限降低，且其疲勞極限隨稀土元素含量的增多而減小。所形成的稀土氧化物Y2O3粒子尺寸差別較大，其橢球長軸尺寸為幾百個納米甚至幾個微米，并且Ti-600合金的裂紋萌生與稀土相顆粒的斷裂有關。

高溫鈦合金；Ti-600合金；疲勞強度；稀土元素；斷裂

0 引 言

近年來，稀土元素在高溫鈦合金中的應用越來越廣泛，我國在高溫鈦合金中添加的稀土元素主要有Nd和Y[1-3]。稀土元素RE在高溫鈦合金中要么固溶，要么以RE2O3形式存在，要么以RExMy金屬間化合物和(或)其他形式的復雜化合物存在[1]。當稀土元素RE加入合金后，主要起內氧化作用。稀土元素能有效地奪取合金中的氧，生成難熔稀土氧化物REO2，降低基體合金中的氧含量，利于合金力學性能的改善。其次，由于彌散析出的REO2質點與基體合金的熱脹系數不同，冷卻時REO2質點附近容易形成位錯環，強化基體的同時促使合金高溫瞬時強度及蠕變強度提高。研究結果表明，稀土元素在細化晶粒、提高疲勞性能、改善熱穩定性等方面都發揮了有益作用[3]。

Ti-600合金(Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.5Mo-0.4Si-0.1Y)是西北有色金屬研究院研發的一種可在600 ℃或以上溫度使用的添加有稀土元素Y的近α型高溫鈦合金,可作為先進發動機高溫零部件的候選材料[4-6]。前期研究表明，Ti-600合金中加入稀土元素Y后，合金中的氧與Y形成晶粒尺寸不大于1 μm的Y2O3稀土氧化物粒子，可以明顯細化合金晶粒，使合金的塑性和熱穩定性得到改善[7]。該研究還表明，稀土元素Y的內氧化作用可以很好地降低Ti-1100基體合金(Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si)對氧的敏感性，同時稀土氧化物可以阻礙晶粒長大，明顯細化合金的晶粒。經相變點以上固溶熱處理后，可得到具有一定厚度的魏氏體α片層組織，具有良好的熱強性和熱穩定性，且抗拉強度、高溫持久性能等得到提高，此外，還具有優異的抗蠕變性能。

由于航空發動機的關鍵部件，如壓氣機輪盤等，在服役過程中承受著高溫、高壓和低循環應力的共同作用，其失效形式主要表現為疲勞破壞。而目前，關于Ti-600合金疲勞性能，尤其是稀土元素對該合金疲勞性能影響的研究報道較少[8]。因此，研究不同稀土含量的Ti-600合金光滑試樣在室溫下的高周軸向應力疲勞性能，并分析稀土元素對合金疲勞斷裂行為的影響，為該合金在航空航天的應用提供基礎數據。

1 實 驗

實驗選用二次重熔的φ420 mm Ti-600合金鑄錠，在β相區開坯鍛造后，再在α+β兩相區加熱軋制成φ18 mm圓棒，合金的β轉變溫度約為1 010 ℃。

切取直徑為5 mm、標距為42 mm的漏斗形光滑疲勞試樣，對所有疲勞試樣按照1 020 ℃×1 h/AC +650 ℃×8 h/AC的固溶時效制度進行處理，然后依據GB/T 3075—2008標準在QBG-100型高頻疲勞試驗機上測試其室溫高周軸向應力疲勞性能。試驗應力比R=0.1，加載頻率為100 Hz左右，最大疲勞周次為107次。采用JSM 6460型掃描電鏡(SEM)觀察疲勞試驗后試樣的顯微組織。

2 結果與討論

2.1 不同稀土含量Ti-600合金的疲勞極限

表1為不同Y含量的Ti-600合金與Ti-1100基體合金光滑試樣的疲勞性能。實驗時，3種合金的應力比R=0.1，加載頻率分別為100.1～104.6 Hz、91.4～94.6 Hz和88.8～94.7 Hz。從表1可以看出，107周次疲勞后，含0.1%(質量分數，下同)Y和含0.2%Y的Ti-600合金以及Ti-1100基體合金的條件疲勞強度極限分別為537、500、605 MPa。上述實驗數據表明，與Ti-1100基體合金相比較，稀土元素Y的添加會使合金的疲勞極限降低，添加0.1%Y和0.2%Y后，Ti-600合金的疲勞極限較基體合金Ti-1100分別降低11.2%和17.4%。同時，稀土含量越高，合金的疲勞極限越低。

表1 不同Y含量的Ti-600合金與Ti-1100基體合金的疲勞極限(Kt=1, R=0.1, Nf=107)

2.2 稀土氧化物對Ti-600合金疲勞性能的影響

截至目前，關于稀土第二相對疲勞裂紋萌生影響的看法不一致，稀土氧化物顆粒能否引發疲勞裂紋源也存在著爭論。有研究人員認為稀土相附近不易形成微裂紋[9-10]。鄧炬等[11]研究認為稀土Gd對疲勞性能是有益的，IMI829/0.2Gd合金的平均循環次數比基體合金約高40%，斷口觀察證明了疲勞裂紋起源于貧Mo富Si和Fe的質點，而不是含有稀土Gd的粒子。朱知壽等[9]研究發現，含稀土Nd的高溫鈦合金中，低周疲勞裂紋萌生于基體合金中，稀土相顆粒脫粘或預先開裂都不會引發裂紋，稀土相的存在使裂紋擴展路徑曲折。但在含稀土Er的近α型鈦合金中，低周疲勞裂紋起源于稀土氧化物顆粒處，其疲勞壽命比基體合金的低。

圖1為疲勞試驗后Ti-600合金中稀土相的SEM照片，其中試驗參數為σ=500 MPa、R=0.1、N=9.53×105。由圖1可見，本實驗中，橢球狀的稀土相會在合金任意位置析出。稀土相的尺寸變化很大，分布也很不均勻，大尺寸的稀土相橢球長軸可達幾個甚至幾十個微米，小尺寸的稀土相橢球長軸僅0.2 μm左右。

圖1 疲勞試驗后Ti-600合金中稀土相的SEM照片

在疲勞載荷的作用下，Ti-600合金內發生位錯滑移、增生，當位錯塞積到晶界、相界或其他障礙物前，應力集中積累至一定程度時便會引發小裂紋。對Ti-600合金來說，稀土相中最薄弱的解理面上極易形成裂紋。圖2為疲勞試驗后Ti-600合金中稀土相內裂紋的SEM照片，其中試驗參數分別為σ=400 MPa、R=0.1、N=1.24×106(圖2a)和σ=550 MPa、R=0.1、N=3.72×104(圖2b)。從圖中可以看出，稀土相內確實存在微裂紋。疲勞裂紋大多起源于較大尺寸的稀土相，這主要是由于大尺寸稀土相周圍局部應力集中而會引發微裂紋，但小尺寸的稀土相對疲勞裂紋的擴展有一定的影響[8]。

圖2 疲勞試驗后Ti-600合金中稀土相粒子內裂紋的SEM照片

研究發現，疲勞斷裂過程中，合金內因局部塑性流變致使駐留滑移帶(PSB)形成，PSB內的位錯密度比其他地方高得多，它是位錯運動的通道[12]。PSB形成后，滑移帶內積累了非常大的塑性變形，與稀土相相遇時，位錯運動受阻，形成位錯塞積，稀土相與基體分離而成為裂紋萌生的位置，宏觀上顯現為沿晶裂紋的出現。稀土相含量越高，合金萌生疲勞裂紋(面裂紋與角裂紋)的機率越大，疲勞裂紋萌生數量越多，萌生時間提前，合金的疲勞壽命下降。這與表1給出的實驗結果是相符的，即稀土含量越高，合金的疲勞極限越低。綜上所述，含稀土相的試樣的疲勞壽命低于不含稀土相的試樣；稀土相含量越多，較低載荷下萌生的裂紋也越多。這表明裂紋的萌生與稀土相有直接關系。

3 結 論

(1)107周次疲勞后，含0.1%Y和含0.2%Y的Ti-600合金以及Ti-1100基體合金的條件疲勞強度極限分別為537、500、605 MPa。添加稀土元素Y后，合金的疲勞極限降低，且稀土元素含量越高，合金的疲勞極限越低。

(2)稀土氧化物Y2O3粒子尺寸差別較大，其橢球長軸尺寸為幾百個納米甚至幾個微米，Ti-600合金的裂紋萌生與稀土相顆粒中的微裂紋有關。

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[3] Cui W F, Liu C M, Zhou L, et al. Characteristics of microstructures and second-phase particles in Y-bearing Ti-1100 alloy[J]. Material Science and Engineering A, 2002, A323(1/2): 192-197.

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[11]鄧炬, 吳之樂, 楊冠軍, 等. 一種稀土改性的先進高溫鈦合金[J]. 航空材料學報, 1990, 10(1): 1-7.

[12]Schijve J. Fatigue of structures and materials in the 20th century and the state of the art[J]. International Journal of Fatigue, 2003, 25(8): 679-702.

國內外新聞

東北大學成功地實現“零污染”、低成本鈦粉及鈦鋁合金粉的制取

東北大學馮乃祥教授的科研團隊成功研究出“零污染”制取金屬鈦粉的新工藝，利用該工藝可使鈦的還原率達到100%，并實現“零”排放。與現行的海綿鈦生產方法相比，鈦粉的生產成本至少可降低50%。

圖1 還原出爐的金屬鈦

圖2 還原后經過研磨的鈦粉及鈦鋁合金粉

該新工藝以氟鈦酸鈉為原料，以鋁為還原劑，可制取金屬鈦粉以及副產品無鈦冰晶石(冰晶石可用作鋁電解的助熔劑、玻璃的乳白劑以及搪瓷的遮光劑等)。據馮乃祥教授介紹，該新工藝不僅可以使鈦的還原率達到100%，鋁的利用率也可同樣可以達到100%，而且整個過程無任何廢氣、廢渣、廢液的排放，并且制備工藝和設備結構簡單，工業化過程中不會存在任何技術問題。

此外，利用該工藝不僅可以生產純鈦粉，還可以生產任意組分含量的鈦鋁合金粉，可滿足不同鈦合金構件及制品的需求，尤其是商用客機和殲擊機上3D打印大型鈦構件技術對鈦合金的要求。

目前，市場上通過氫化脫氫法生產的鈦粉其市場價格約為 200元/kg，霧化法生產的用于3D打印的鈦合金粉其市場價格約在4 000～5 000元/kg，而采用這種新的工藝生產的鈦粉每噸成本僅為25 000～30 000元。

(趙坤)

High Cycle Fatigue Property of Ti-600 Alloy with Different Rare Earth Element Content

Zeng Liying, Hong Quan, Mao Xiaonan, Qi Yunlian, Zhao Yongqing, Su Hangbiao

(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research，Xi’an 710016, China)

High cycle fatigue (HCF) of Ti-600 alloy had been tested at a frequency of 100 Hz or so and load ratioRof 0.1, and the effect of rare earth element content on fatigue fracture behavior at ambient temperature was also analyzed. The results indicate that the HCF strength for Ti-600 alloy with 0.1wt. %Y and 0.2wt. %Y at ambient temperature is found to be 537 MPa and 500 MPa, and the strength for Ti-1100 matrix alloy is 605 MPa. The higher the amount of rare earth element is, the lower the HCF strength is. The particle size for rare earth element of Y2O3is different extensively, which varies from several hundred nanometer to several micrometer. The crack initiations for Ti-600 alloy has relation to the fracture of rare earth elements particles.

high temperature titanium alloy；Ti-600 alloy；fatigue strength；rare earth element；fracture

2015-07-10

陜西省重點科技創新團隊計劃“鈦合金研發創新團隊”項目(2012KCT-23)

曾立英(1970—)，女，教授級高級工程師。

TG146.2+3

A

1009-9964(2015)06-0023-04