鑄態Ti-20Zr-20Al 鈦合金動態壓縮力學性能與斷裂機制研究①

鄧麗萍， 汪冰峰，， 劉若愚， 張曉泳， 樊 凱， 馮抗屯， 謝 靜， 王海鵬， 雷家峰

(1.中南大學 材料科學與工程學院,湖南 長沙410083； 2.中南大學 粉末冶金國家重點實驗室,湖南 長沙410083； 3.湖南金天鈦業科技有限公司,湖南 常德413000；4.中航飛機起落架有限公司,湖南長沙410200；5.中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責任公司,四川德陽618000；6.西安三角防務有限公司,陜西 西安710089； 7.中國科學院金屬研究所,遼寧 沈陽110016)

鈦合金具有低密度、高強度、耐腐蝕和抗沖擊性等優異性能,被廣泛應用于汽車和航空航天等領域,其中鈦鋁合金是制造發動機渦輪葉片等的理想材料［1-3］。渦輪葉片等在服役過程中不可避免受到沖擊載荷的作用［4］。 研究鈦合金在不同應變率下的力學性能［5］,了解其在高應變率下的變形和破壞機理［6］,不僅可以為進一步改善合金性能提供參考,而且可以拓展鈦合金的應用范圍。 本文研究了Ti-20Zr-20Al 鈦合金在動態加載下的微觀組織、力學性能及斷裂機制,可為抗沖擊新型鈦合金的工程化制備及應用提供理論及技術支撐。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗原料采用工業級純度的海綿鈦(Ti)、海綿鋯(Zr)和99.9%純鋁(Al)。 首先按照合金中各元素的熔點和含量對金屬原料進行合理布料,將原料混合物壓制成短棒狀的電極塊,然后將這些棒狀電極塊焊接成自耗電弧爐的電極。 在真空自耗電弧爐中抽真空進行熔煉,得到Ф180 mm 的鈦合金鑄錠。 合金化學成分(質量分數,%)為Ti-20Zr-20Al。 為確保合金成分的均勻性,取尺寸為Ф40 mm × 30 mm 的鑄態樣品在1 000 ℃下保溫10 h,空冷,得到實驗材料。

1.2 實驗方法

采用Rigaku D/MAX-2500 衍射儀(XRD)檢測樣品相結構。 利用POLYVER-MET 光學顯微鏡(OM)觀察經過粗磨、精磨、拋光和腐蝕處理的Ti-20Zr-20Al 合金材料的微觀組織,腐蝕劑為5 mL HF+15 mL HNO3+80 mL H2O。 在JXA-8230 電子探針顯微分析儀(EPMA)上對相成分進行分析。

用線切割法切取尺寸Ф6 mm × 7.2 mm 圓柱體合金樣品進行動態壓縮實驗。 動態加載實驗裝置為分離式霍普金森壓桿(SHPB)。 采用Quanta 200 掃描電子顯微鏡(SEM)觀察碎片的斷口形貌。

2 實驗結果與討論

2.1 微觀形貌

圖1 為均勻態合金樣品的X 射線圖譜。 由圖1 可知,Ti-20Zr-20Al 合金由Zr、TiAl 和Ti3Al 相組成。

圖1 Ti-20Zr-20Al 合金的X 射線圖譜

Ti-20Zr-20Al 合金的微觀組織如圖2 所示,其中合金EPMA 分析結果如表1 所示。 由圖2 可見,Ti-20Zr-20Al 合金由尺寸為300 ～600 μm 的粗大晶粒組成,其中區域1 為Zr 基體相,區域2 為呈V 字形或三角形排列的針狀TiAl/Ti3Al 相,區域3 為富含Zr 的偏析相。結果與圖1 實驗結果相吻合。

圖2 Ti-20Zr-20Al 合金的微觀組織

表1 Ti-20Zr-20Al 合金的EPMA 分析結果（原子分數）/%

2.2 動態力學性能

對Ti-20Zr-20Al 合金進行動態壓縮試驗,得到其在應變率為800、1 250、1 650 s-1時的真應力-應變曲線如圖3 所示。 由圖3 可以看出,Ti-20Zr-20Al 合金的應力-應變曲線呈現先彈性段上升、后塑性屈服直至失效的力學響應階段。

圖3 Ti-20Zr-20Al 合金的真應力-應變曲線

抗壓強度和失效應變隨應變率變化情況見表2。從表2 可以看出,隨著應變率增加,Ti-20Zr-20Al 合金的動態力學性能如強度、塑性等都顯示出了不同程度的強化效應。

表2 Ti-20Zr-20Al 合金的動態力學性能

2.3 斷裂機制

圖4 為Ti-20Zr-20Al 合金在不同應變率下壓縮后的斷口形貌。 從圖4 可以看出,不同應變率下的斷口均呈現大面積的脆性斷裂解理面。 Ti-20Zr-20Al 合金的斷裂機制為解理斷裂。 解理裂紋主要在塑性相Zr 相中形核,滑移過程中受到脆性相TiAl/Ti3Al 相的阻礙,沿相界面向不同方向擴展產生了河流狀花樣,解理痕是脆性相TiAl/Ti3Al 相在壓應力作用下形成的斷裂形貌。 隨著應變率增加,產生了更多的微觀裂紋且裂紋之間的相互作用顯著增強；解理棱的長度減小,分布更密集。 裂紋的形成和擴展消耗了大量能量,隨著應變率提高,更多微觀裂紋形成,Ti-20Zr-20Al 合金的動態強度增大。

圖4 不同應變率下的斷口形貌

2.4 動態破碎特性分析

文獻［7］基于能量守恒提出了關于碎片尺度的計算公式:

式中s 為平均粒徑,μm；ρ 為材料密度,g/cm3；˙ε 為應變率,s-1；Gc為斷裂能,N/m。

考慮到材料的動態破碎是一個涉及裂紋成核、擴展以及相互作用等動態機制的復雜過程,文獻［8］建立了材料破碎的動力學模型:

式中E 為彈性模量,MPa；σc為抗壓強度,MPa；c為彈性波速,m/s,c=。 Ti-20Zr-20Al 合金的密度為4.4 g/cm3。 由應力-應變曲線計算可得,E=226 000 MPa,Gc=242 N/m。

對動態加載下斷裂合金試樣進行回收,如圖5 所示。 對試樣斷裂后的碎片進行分類和統計,結果如表3 所示。 由表3 可知,隨著應變率增加,碎片總數增大,平均粒徑逐漸減小,破壞所需的能量增大,這符合能量守恒定律。

圖5 不同應變率下的合金碎片回收樣本

表3 不同應變率下合金碎片尺寸

將實驗獲得的合金參數代入(1)和(2)式中,獲得了無量綱化的Grady 和DID 合金破碎尺寸模型如圖6所示。 由圖6 可知,DID 模型比較吻合脆性材料的碎片尺度特性,而Grady 模型顯著高估了碎片尺寸,這是它忽略了微裂紋的擴張等機制,使得碎裂的物理過程被過分簡化。

圖6 理論模型與實際碎片尺寸對比

3 結 論

1) Ti-20Zr-20Al 合金由尺寸為300 ～600 μm 的粗大晶粒組成,基體為Zr 相,在基體上析出了大量呈V字形或三角形排列的針狀TiAl/Ti3Al 相。

2) 隨著應變率增加,Ti-20Zr-20Al 合金抗壓強度提高,失效應變明顯增加,即高應變率載荷條件下Ti-20Zr-20Al 合金的強度和塑性都表現出了顯著的強化效應。

3) Ti-20Zr-20Al 合金的斷裂機制為解理斷裂。

4) 隨著應變率增加,試樣壓縮斷裂后,碎片總數增大,平均粒徑逐漸減小。 Grady 模型與實驗結果的偏差較大,而DID 模型考慮到了裂紋成核和擴展對材料破碎過程的影響,計算結果與合金的實際破碎尺寸比較吻合。