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嘉峪檢測網 2022-03-10 23:13
通過冷坩堝懸浮感應熔煉、軋制和固溶熱處理制備Ti-8Mo-2Zr、Ti-8Mo-4Nb-2Zr和Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta(原子分數/%)鈦合金，研究了鈮和鉭元素的添加對合金顯微組織、拉伸性能和變形機制的影響。本文結果表明：3種合金的組成相均為單一β相，β相晶粒尺寸隨著鈮、鈮+鉭元素的添加逐步減小；Ti-8Mo-2Zr合金的變形機制以應力誘發α″馬氏體相變和{332}孿生為主，而Ti-8Mo-4Nb-2Zr和Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta合金的變形機制以位錯滑移為主；變形機制的轉變導致合金強度的提高和塑性的降低，鈮和鉭元素添加產生的細晶強化和固溶強化效應進一步提高了合金的強度，Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta合金的抗拉強度高達970MPa。
1 試樣制備與試驗方法
選取純度為99.99%的金屬鈦、鉬、鋯、鈮和鉭作為原料，按照名義成分為Ti-8Mo-2Zr、Ti-8Mo-4Nb-2Zr和Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta(原子分數/%)計算所需原料的質量。用分析電子天平精確稱取原料，采用冷坩堝懸浮熔煉法制備合金。為確保合金成分均勻，每種合金鑄錠均經過4次以上反復熔煉。
采用電火花切割法從合金鑄錠上切取厚度約為9mm的片狀試樣，對其進行軋制加工，軋制試樣的最終厚度約為3mm，軋制變形量約為67%，Ti-8Mo-2Zr合金在室溫下軋制，其他兩種合金在900~1000℃下軋制。為了消除軋制變形過程中產生的加工硬化和殘余應力，對軋制后的試樣進行固溶淬火熱處理。
采用X射線衍射分析儀(XRD)對合金試樣進行物相分析。將試樣用砂紙打磨、金剛石研磨劑拋光后，之后進行腐蝕，再在光學顯微鏡上進行顯微組織觀察。沿軋制方向在熱處理后的試樣上切割出標距段尺寸為3mm×1mm×14mm的拉伸試樣，在電子萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗，使用電子引伸計測定應變，得到拉伸應力-應變曲線。
為了分析變形機制，使用場發射透射電鏡(TEM)對拉伸至變形量為20%的Ti-8Mo-2Zr合金以及拉伸至斷裂的Ti-8Mo-4Nb-2Zr和Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta合金進行顯微結構觀察。
2 試驗結果與討論
2.1 顯微組織
圖1 3種試驗合金的XRD譜
由圖1可以看出：Ti-8Mo-2Zr、Ti-8Mo-4Nb-2Zr和Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta這3種合金的XRD譜中均只出現β相的衍射峰，說明經過固溶水冷處理后3種合金均為β單相鈦合金。鈮和鉭的原子半徑均為0.134nm，與鈦的原子半徑(0.132nm)較為接近，易溶于β相形成置換固溶體，因此經固溶水冷處理后3種合金均得到了單一的β相。利用3種合金(110)衍射峰的角度進行計算，得到β相的晶格常數均為0.326nm左右。
圖2 3種試驗合金的顯微組織
由圖2可以看出，3種試驗合金的組織均為等軸狀β 晶粒。Ti-8Mo-2Zr、Ti-8Mo-4Nb-2Zr和Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta合金的β晶粒尺寸分別約為300，230，170μm，隨著鈮和鉭的添加晶粒尺寸逐漸減小。這說明鈮和鉭等元素的添加減緩了固溶熱處理過程中的元素擴散和晶粒長大，起到了細化晶粒的作用。
2.2 拉伸性能
圖3 3種試驗合金的拉伸工程應力-應變曲線和拉伸應變硬化率-真應變曲線
表1 3種試驗合金的拉伸性能
由圖3(a)和表1可以明顯看出，3種試驗合金的變形行為和拉伸性能相差較大。Ti-8Mo-2Zr合金的屈服強度較低，約為410MPa，屈服后經歷范圍較寬的應變硬化階段，最終抗拉強度達到660MPa，斷后伸長率達到32%；隨著鈮和鈮+鉭的添加，試驗合金的強度逐漸提高，同時塑性降低。由圖3(b)可以看出，Ti-8Mo-2Zr合金的應變硬化率在10%~25%的應變范圍內維持在1500MPa左右，而Ti-8Mo-4Nb-2Zr和Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta合金的應變硬化率在應變達到5%左右即急劇下降，直至合金斷裂。結合顯微組織的變化分析發現，由晶粒細化引起的細晶強化可以部分解釋強度的提高，但是仍需對變形機制進行進一步的分析。
2.3 變形機制
圖4 拉伸至應變20%時Ti-8Mo-2Zr合金中某區域的TEM形貌及衍射花樣
由圖4可以看出：在拉伸變形過程中，Ti-8Mo-2Zr合金某變形區域產生了大量條帶狀孿晶組織，寬度在300~500nm，不同取向的孿晶相互交叉產生扭折和錯位；對孿晶界進行選區電子衍射(SAED)得到的衍射花樣為兩套互為孿晶的β相[110]軸衍射花樣，孿晶面為{332}；衍射花樣中除了出現β相的衍射斑點外，在β基體和β孿晶的{112}衍射斑點的1/3和2/3處還出現了ω相的衍射斑點，說明在β基體和β孿晶中都存在ω相。綜上可知，Ti-8Mo-2Zr合金的變形機制主要為{332}孿生。
圖5 拉伸至應變20%時Ti-8Mo-2Zr合金中另一區域的TEM形貌及衍射花樣
由圖5可以看出：在拉伸變形過程中，Ti-8Mo-2Zr合金另一處變形較為劇烈區域處的{332}孿晶內部出現了細小的板條，對其進行SAED分析，結果顯示為β相[110]軸的衍射花樣和α″馬氏體[001]軸衍射花樣疊加，表明β基體中出現了α″馬氏體，說明孿晶內部細小的板條為α″馬氏體。由此可見，Ti-8Mo-2Zr合金在變形中發生了應力誘發α″馬氏體相變。
圖6 拉伸至斷裂后Ti-8Mo-4Nb-2Zr和Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta合金的TEM明場像
對拉伸至斷裂的Ti-8Mo-4Nb-2Zr和Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta合金進行TEM顯微結構觀察時，沒有發現孿晶等明顯的變形組織。局部區域出現由位錯聚集而形成的滑移帶，分布較為集中，如圖6所示。這些位錯滑移帶相距較近，很容易產生交割和纏結，阻礙位錯的進一步滑移，造成應力集中。因此，合金在拉伸屈服后迅速發生加工硬化，位錯滑移困難，導致在強度提高的同時塑性降低。
綜上可知，Ti-8Mo-2Zr合金的變形機制以應力誘發α″馬氏體相變和{332}孿生為主，而Ti-8Mo-4Nb-2Zr和Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta合金的變形機制以位錯滑移為主。鈮和鉭是β穩定元素，二者的添加會逐步提高鈦合金中β相的穩定性。隨著β相穩定性的提高，合金的主導變形機制由應力誘發馬氏體相變和孿生轉變為位錯滑移。前者導致顯著的應變硬化、優異的塑性和較低的強度，而后者則會產生較高的強度和較低的塑性。此外，鈮和鉭的添加還能夠產生細晶強化效果，因此Ti-8Mo-4Nb-2Zr和Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta合金的抗拉強度均遠高于Ti-8Mo-2Zr合金，Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta合金的抗拉強度更是高達970MPa。
3 結 論
(1) 在Ti-8Mo-2Zr合金中依次添加4%鈮和4%鈮+2%鉭(均為原子分數)后，其組成相仍為單一的β相，并且β相的晶格常數均約為0.326nm，合金的晶粒尺寸依次減小。
(2) 鈮和鉭元素的添加提高了鈦合金的β相穩定性，使得Ti-8Mo-2Zr合金的主導變形機制由應力誘發馬氏體相變和孿生轉變為位錯滑移，導致了強度的提高和塑性的降低；此外，鈮和鉭元素的添加產生了細晶強化和固溶強化作用，進一步提高了合金的強度，Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta合金的抗拉強度高達970MPa。
引用本文：
王敏，LU Liming，王長浩，等.添加鈮和鉭對TiMoZr合金變形機制和拉伸性能的影響[J].機械工程材料，2022，46（1）：14-18.
Wang M, LU Liming, Wang C H, et al. Effect of Nb and Ta Addition on Deformation Mechanism and Tensile Properties of TiMoZr Alloys, 2022, 46（1）: 14-18.
來源：機械工程材料
