TiAl-Nb合金相平衡轉(zhuǎn)變及顯微組織結(jié)構(gòu)研究

方春梅，徐勇，許斌，袁乃強(qiáng)

(山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101 )

高Nb-TiAl合金具有良好的高溫強(qiáng)度、較低的密度、優(yōu)良的抗蠕變性能及較高的抗氧化性能，吸引了越來越多的研究者的注意[1-4]。高Nb-TiAl合金的優(yōu)良使用性能與加工特性，與合金的顯微組織結(jié)構(gòu)以及物相構(gòu)成密切相關(guān)[5-6]。合金中晶體的微觀缺陷的交互作用，包括位錯畸變與堆積層錯的交互作用阻礙了位錯提高合金抗蠕變的行為[7]。因此，研究高Nb-TiAl合金的顯微組織結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的物相轉(zhuǎn)變特征，對提高合金性能，優(yōu)化合金設(shè)計具有重要的意義。

Nb-TiAl合金中Nb元素的添加增大了β相的含量，降低了合金的峰值應(yīng)力，提高了合金的熱工作能力[8]。高鈮TiAl合金顯微組織主要由具有六方晶系DO19型結(jié)構(gòu)的α2-Ti3Al相和具有面心四方Ll0型結(jié)構(gòu)的γ-TiAl相構(gòu)成[7-9]，合金中α2和γ相含量不同時晶粒呈現(xiàn)多種聚集狀態(tài)。高Nb-TiAl中，含有α2和γ兩相的晶粒一般直徑大于100 μm，且多為層間距超過幾百納米的層片結(jié)構(gòu)，片層聚集成為大的板條狀[10]。室溫下，與高體積分?jǐn)?shù)的α2相的合金相比，近片層結(jié)構(gòu)的TiAl合金塑性變形量提高了約1%，也就是說，合金中大量α2相的存在不利于材料的塑性變形[11-12]。研究者使用等離子弧熔煉方法，獲得的Ti-45Al-8.5Nb-(W, B, Y) 合金，表現(xiàn)出一種高的斷裂強(qiáng)度和適中的疲勞強(qiáng)度，合金微觀形貌為細(xì)化的層片組織[5]。合金中不同物相組成對合金力學(xué)性能有著重要影響[13-14]

當(dāng)前對高Nb-TiAl合金的研究中，合金的顯微組織演變，物相變化以及合金性能等方面的研究日趨完善[15-18]，然而，Nb元素的添加對TiAl-Nb合金平衡相組成和凝固路徑轉(zhuǎn)變的影響，至今沒有得到充分的報道。本文采用了X射線衍射及形態(tài)學(xué)的分析方法，對TiAl-Nb 合金的平衡相組成、微觀組織形態(tài)轉(zhuǎn)變及合金物相含量等方面進(jìn)行研究，為進(jìn)一步探索合金性能提供理論依據(jù)。

1 實驗

本研究中共涉及8種名義成分不同的合金鑄錠，根據(jù)合金中Nb添加量的不同，將合金分為A，B兩組，Nb的原子百分比分別為0、10%。每組合金中，根據(jù)Al元素含量的不同，將試樣編號為1～4，各試樣具體成分如表1所示。本文所涉及鑄錠均由真空感應(yīng)熔煉爐獲得，母料是直徑為30 mm的合金錠。熔煉完成后，對鑄錠整體進(jìn)行退火處理(技術(shù)參數(shù)暫不公開)，避免合金中成分偏析。在每個鑄錠的中心位置分別取兩個尺寸為8 mm×8 mm×5 mm的立方體試塊，用于本次實驗研究。

對于取至同一鑄錠的兩塊試樣，一塊用做對合金微觀形貌組織的觀察，另一塊研磨成粉末狀，用來完成對物相成分的分析。用于形貌檢測的試塊，分別經(jīng)#200，#400，#600和#800的SiC砂紙打磨出光潔的平面，然后經(jīng)電解拋光處理呈現(xiàn)鏡面。最后，使用改良后的Kroll腐蝕液(5% HF+10% HNO3+ 85% H2O，體積分?jǐn)?shù))對試塊進(jìn)行侵蝕，試塊置于光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)等儀器中，對其進(jìn)行形貌觀察。用于X射線衍射(XRD)物相分析的粉末樣品，要求其顆粒度在300目左右，檢測工作在Bruker D8 Advance型X射線衍射儀上進(jìn)行。根據(jù)XRD圖譜，采用K值法(PDF卡片中的RIR值)計算各相的相對含量，其中α2-Ti3Al和γ-TiAl兩相的RIR值通過實驗測定(α-Al2O3標(biāo)樣，RIR值為1.0)。

表1 Ti-Al和Ti-Al-Nb合金樣品成分的原子百分比(%)Table 1 Composition table of Ti-Al and Ti-Al-Nb alloy samples(%)

注：成分配比關(guān)系為TixAly和(TixAly)90Nb10樣品以A(#)和B(#)形式來表示，如A(1)為Ti80Al20樣品，B(1)為(Ti80Al20)90Nb10樣品，以此類推。

2 結(jié)果與討論

2.1 物相平衡轉(zhuǎn)變規(guī)律

根據(jù)Ti-Al二元合金相圖(圖1)[19]，在平衡狀態(tài)下，當(dāng)Ti-Al二元合金中的原子百分比低于11%時，合金體系為單相α-Ti；而Al原子百分比在11%～22%之間時，合金為α-Ti和α2-Ti3Al兩相組織；Al原子百分比處于22%～35%之間時，合金呈現(xiàn)單相α2-Ti3Al，但相圖中α2單相線沒有準(zhǔn)確給出；Al原子百分比在35%～49%之間時，合金中為α2-Ti3Al和γ-TiAl兩相組織；而在49%～56%區(qū)間，為單相γ-TiAl。本工作中選取的合金樣品成分分別位于α-Ti和α2-Ti3Al兩相區(qū)、α2-Ti3Al單相區(qū)、α2-Ti3Al和γ-TiAl兩相區(qū)以及γ-TiAl相區(qū)，如表1所示。

圖1 TiAl合金的二元相圖[19]Fig.1 The phase diagram of Ti-Al binary alloy system [19]

合金樣品的物相組成和相關(guān)含量通過XRD進(jìn)行了分析，衍射圖譜如圖2所示。Ti-Al合金樣品的相組成與相圖符合良好，如圖2a所示，在A(1)樣品中以α+α2為主；A(2)樣品中主要為α2相；而在A(3)樣品中，以α2+γ兩相為主；A(4)則主要為γ單相，但根據(jù)XRD圖譜，如圖2a所示，樣品中還含有少量的α2相。

Nb元素的添加對于合金物相構(gòu)成的影響很大，作為一種β相促進(jìn)生成元素，Nb元素的添加能夠明顯提高合金樣品中的β相含量[20-25]，這在XRD中得到了證明，如圖2b所示，B(1)樣品中出現(xiàn)了明顯的β相衍射峰，合金以α2+β為主；B(2)樣品中β相消失，但生成了γ相，合金以α2+γ兩相為主；B(3)樣品也是以α2+γ兩相為主，但γ相峰值明顯增加，說明γ相的相對含量增高；B(4)樣品中γ相成為主相，但仍然存在α2相，表明Nb元素的添加，促進(jìn)了α2相的生成，并抑制了γ相的生長，這在定量分析中得到證明。

根據(jù)測定的PDF卡片RIR值，測定了合金樣品中各相的相對含量，如圖3所示。對于Ti-Al二元合金，A(1)樣品中α相的相對含量為4%左右，而對于Ti-Al-Nb三元合金，B(1)樣品中則存在著少量的β相，相對含量也為4%左右；這表明Nb元素的添加，明顯抑制了α相的形成，而促進(jìn)了β相的穩(wěn)定性。根據(jù)Ti-Al二元合金相圖，如圖1所示，對于α固熔體相，在高溫和低溫區(qū)域分為了兩個不同的相區(qū)，其中高溫相區(qū)Al含量高而低溫相區(qū)Al含量低。當(dāng)A(1)Ti-Al二元合金(20%Al)從高溫冷卻進(jìn)行固態(tài)相變時，首先經(jīng)歷β固熔體單相區(qū)，然后轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏叵鄥^(qū)的α固熔體相，并隨著冷卻進(jìn)行而析出α2相，形成α+α2組織。然而，對于B(1)Ti-Al-Nb三元合金來說，當(dāng)從高溫冷卻進(jìn)行固態(tài)相變時，β相不再轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?，而是直接析出?相，形成β+α2組織。這表明，Nb元素的添加使得β相區(qū)增大，而低溫α相區(qū)減小甚至消失。根據(jù)定量分析還可以看出，隨著Al含量的增加，樣品中的α2相含量持續(xù)減少而γ相含量增加，且Ti-Al二元和Ti-Al-Nb三元合金中兩相的含量比例變化基本一致，但Nb添加抑制了γ相的生成，促進(jìn)了α2相的穩(wěn)定性。

a Ti-Al； b Ti-Al-Nb圖2 XRD衍射圖譜Fig.2 XRD diffraction patterns of alloys

a Ti-Al; b Ti-Al-Nb圖3 XRD物相含量定量分析結(jié)果Fig.3 Quantitative analysis results of XRD phase content

2.2 顯微組織演變

對于Ti-Al-Nb三元合金樣品，圖4e為B(1)樣品的顯微組織結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為板條狀組織，但相比于Ti-Al二元合金A(1)樣品來說，其板條尺寸明顯變細(xì)；根據(jù)XRD分析，B(1)樣品中除了α2主相外，不再生成α相，而是β相，表明β相的形成細(xì)化了合金晶粒。相比于B(1)樣品，B(2)樣品的顯微組織結(jié)構(gòu)相同，但板條尺寸更細(xì)；B(2)樣品中主相為α2相，但次相為γ相，而不是B(1)中的β相，說明低Al含量時，γ相有利于細(xì)化晶粒；B(2)顯微組織結(jié)構(gòu)明顯不同于A(2)樣品的α2單相組織，表明Nb元素的添加增加了α2+γ兩相區(qū)的范圍。與A(3)樣品的全片層組織不同，B(3)樣品在Nb添加之后形成了非常細(xì)小的片層組織，這些細(xì)小的片層以不同取向分布于板條狀晶粒中，說明Nb元素阻礙了γ相在α2相中的析出過程，從而細(xì)化了片層組織。圖4h給出了B(4)樣品的顯微組織結(jié)構(gòu)，主要由片層組織構(gòu)成，但在不同取向片層構(gòu)成的等軸晶粒的晶界上，存在著γ相晶粒，說明此成分配比條件下，合金沒有形成全部γ相，而是由α2+γ兩相組成，表明Nb元素的添加使得γ相區(qū)右移，擴(kuò)展了α2+γ兩相區(qū)。

a～d A(1～4)：Ti-Al二元合金；e～h B(1～4)：Ti-Al-Nb三元合金樣品顯微組織； g 中的小圖為相應(yīng)區(qū)域位置的放大圖。圖4 TiAl合金顯微組織圖Fig.4 Micrograph of TiAl alloys

圖5為A(3)與B(3)合金樣品的SEM圖。由圖5a可見，A(3)合金為全片層組織，且片層均勻，片層間距約為3 μm；而對于B(3)合金樣品來說，如圖5b所示，片層間距與比A(3)更加均勻細(xì)密，片層間距不足1 μm，且片層中有粗大的α2相析出。根據(jù)XRD物相定量分析，B(3)樣品中的α2:γ相對含量稍多于A(3)樣品。這表明Nb添加促進(jìn)了α2相的穩(wěn)定性，抑制了γ相形成，并細(xì)化了片層組織。

a A(3)樣品； b B(3)樣品圖5 不同成分合金中的片層組織 Fig.5 The laminar structures of alloys with different compositions

3 結(jié)論

選擇不同成分、不同相組成的Ti-Al和Ti-Al-Nb合金樣品，進(jìn)行了物相組成和顯微組織結(jié)構(gòu)特征的分析，探討了Nb元素的添加對合金物相形成和顯微組織結(jié)構(gòu)的作用和影響，其影響主要表現(xiàn)在如下幾個方面：

(1)在低Al區(qū)域，Nb元素抑制了α相的生成，促進(jìn)了β相的穩(wěn)定性；改變了α2相的析出過程，不再從α相析出，而是直接由β相析出；

(2)Nb元素添加促進(jìn)了α2相的穩(wěn)定性，抑制了γ相的形成，使得α2+γ兩相區(qū)擴(kuò)大，且γ相區(qū)右移；

(3)Ti-Al-Nb合金中，β相的存在細(xì)化了低Al合金的晶粒；而少量γ相生成也大大細(xì)化了α2+γ兩相組織的晶粒尺寸。

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