高铌ial合金的制备及组织分析

高铌ial合金的制备及组织分析

tial固合金密度低，高温强度好，抗逆性好，抗疲劳防滑性能好，航空、航空航天、汽车等领域应用前景较大。目前普通TiAl基合金实际应用的最大障碍是合金室温塑性低、加工成形性差以及在850℃以上的抗氧化性不足。针对以上问题,研究开发使用温度更高的高温TiAl合金,并不断改进和开发材料行之有效的加工成形技术是今后工作的一个重要内容。研究表明,Nb元素是提高合金高温性能最有效的合金元素之一,高熔点组元Nb的加入可提高TiAl合金的熔点和有序化温度,从而可提高合金的使用温度、高温强度及抗氧化性能[3~5]。因而高铌TiAl合金的研究近年来引起了人们广泛关注,成为TiAl金属间化合物领域的研究主流之一。目前,对于高铌TiAl合金的研究多集中在抗氧化性能、Nb的强化机制、热处理工艺、合金组织与性能的关系等方面,专门针对制备工艺的研究并不多见。有关报道大多采用铸锭冶金工艺,但由于Nb的加入使合金熔点、高温强度大幅度提高,进一步增加了合金的制备难度,在制件中也容易出现铸造缺陷、成分偏析和晶粒大小不均匀现象,同时也难以实现小型复杂零部件的制备,而采用粉末冶金方法,则可使上述问题得到根本性的改善。本研究采用一种先进的粉末冶金材料制备成形技术——放电等离子烧结(sparkplasmasintering,SPS)工艺来制备高铌TiAl合金。研究了SPS技术制备高铌TiAl合金的工艺及其对烧结体组织与性能的影响。1拉伸试验及分析实验所用原料为采用无坩埚感应加热、连续Ar气雾化工艺制备的Ti-45Al-8.5Nb-0.2B-0.2W-0.1Y合金粉末(粒度<100µm)。实验在日本DR.SINTERING-1050放电等离子烧结炉上进行。放电等离子烧结工艺为:以100℃/min的速度升温至所需烧结温度,然后在该温度下保温5min后随炉冷却。烧结温度在950~1300℃之间,外加轴向压力为50MPa,系统真空度为2Pa。用电火花线切割机将SPS制备的合金坯块切成拉伸试样,其尺寸及形状见图1。拉伸试验在室温下INSTRON万能材料试验机上进行,变形速率为2×10-3s-1。样品体积密度ρ利用排水法测得;用台式HDI-1875型硬度计来测定样品的洛氏显微硬度HRC;采用日本理学(Rigaku)公司Dmax-RB型12kW旋转阳极X射线衍射仪(CuKα,λ=0.15406nm)进行物相分析;采用LEO-1450型配有KEVEXSigma能谱微分析系统的扫描电子显微镜研究试样的微观组织,并通过定量金相分析测得试样的晶粒尺度。2结果与讨论2.1烧结体部分国质构造图2为SPS烧结温度对制备高铌TiAl合金密度与硬度的影响。实验发现,当烧结温度为1300℃时,烧结体开始出现部分熔化迹象。当烧结温度为950℃时,烧结体密度较低,仅为3.975g/cm3,相应硬度也较低。当温度超过1100℃后,烧结体密度与硬度显著增大,其密度达到4.23g/cm3以上,接近材料理论密度,硬度也相应得到提高,而烧结温度进一步提高,密度与硬度的变化不大。2.2合金粉末的物相组成图3为原料预合金粉末以及不同烧结温度下高铌TiAl合金的X射线衍射谱。由图3可知,原料预合金粉末主要由α2相及少量γ相组成,而各温度下所获得烧结体的物相组成相近,均是主要由γ相及少量α2相组成。合金粉末在制备过程中由于粒度较细,冷却速度快,来不及析出大量γ相,而主要由α2相及少量γ相组成,其中α2相中Al含量超过平衡浓度,处于过饱和状态。经烧结后,则最终形成以γ-TiAl为稳定物相,α2-Ti3Al为中间相的物相结构。2.3烧结温度对晶粒度的影响各温度下烧结体的显微组织如图4所示。当合金粉末在950℃下烧结时(图4a),粉末颗粒扩散不完全,存在原始颗粒边界,并在颗粒间存在大量孔隙,材料没有达到完全致密化;当烧结温度超过1000℃时(如图4b~4h)烧结体致密、无孔洞。当烧结温度为1000、1050℃(图4b、4c)时,烧结体的显微组织为细小的近γ组织(NG),大部分由等轴γ晶粒与少量等轴α2相构成。当烧结温度为1100℃时(图4d),烧结体的显微组织为细小的双态组织(DP),主要由等轴γ晶粒与α2+γ片层束构成。当烧结温度为1150℃时(图4e),α2+γ片层束的体积含量增加,尺寸增大,在片层束交界处有少量细小等轴γ晶粒,其显微组织为近片层组织(NL)。当烧结温度达到1200℃以上时(图4f~4h),烧结体的显微组织为全片层组织(FL),完全由α2+γ片层束构成。其中1200℃烧结所形成全片层组织最为细小,平均尺寸为25µm,随着烧结温度升高,片层晶团愈加粗大。此外,由图4看出,在1000~1300℃范围内所获得烧结体的显微组织中均存在弥散分布的白色点状及针状白色相,另经1250、1300℃烧结后的显微组织中还存在明显的白色网状偏析相。其中1250℃烧结体中网状白色相多存在于片层团的交界处(图4g);而1300℃烧结体中网格状白色相不仅存在于片层团交界处,还存在于片层晶团内(图4h)。对图4g中的白色相进行了能谱分析,结果如表1所示。从能谱分析结果看,合金中存在的带状的白色相为β相(A点),点状或针状白色相为硼化物(B点),少量较亮的点状白色相为氧化钇(C点)。对比不同烧结温度下的显微组织发现,高铌TiAl合金因烧结温度的不同而形成的各类组织的晶粒度差别较小,远远小于普通TiAl合金。如TiAl-V-Cr合金经SPS1100~1250℃烧结,其显微组织晶粒度在2~400µm,而高铌TiAl合金在此温度范围内获得的组织晶粒度则仅在2~50µm之间,这与文献中研究结果相一致。主要是由于高铌的合金化降低了合金的扩散系数,这样大大降低了α晶粒长大速度,使组织中的片层团尺寸易于控制在较低的范围内。因此,铌的加入更有利于形成晶粒更加细小的FL组织。根据8at%Nb合金化的Ti-(44at%~49at%)Al准二元相图(图5),当烧结温度为1000~1050℃时,合金处于(α2+γ)两相区或共析温度附近,冷却后得到大部分由等轴γ晶粒及少量细小α2相颗粒组成的NG组织。当烧结温度为1100℃时,合金达到α+γ两相区,α、γ相体积分数大致相等。在高温时,显微组织为等轴的α和γ两相,此时α相为高温无序相,冷却过程中首先析出γ板条,随后α层片有序转化为α2,即形成α2+γ片层束,最后得到等轴γ晶粒与α2+γ片层束构成的DP组织。当烧结温度为1150℃时,合金处在刚低于Tα温度不远的α+γ两相区内,α相的体积含量远远超过γ相含量,经冷却后得到α2+γ片层束和少量分布于片层晶团间的等轴γ晶粒组成的NL组织。当烧结温度为1200℃时,合金达到Ti-Al二元相图的α单相区,由于烧结温度较高,而且没有γ相的钉扎作用,α相快速长大,最终得到完全由α2+γ片层束构成的FL组织。当烧结温度为1250℃时,合金处于刚高于Tβ+α温度不远的β+α两相区,所以高温下显微组织为大量的α相以及少量的β相,冷却过程中,α相转变为α2+γ片层束,少量β相则保留下来以网状的形式分布于片层晶团的晶界处。当烧结温度为1300℃时,合金处于β+α两相区。高温下,显微组织为相近体积含量的α相及β相。在冷却过程中,β中析出α相,α相长大即同原α相一起转变为α2+γ片层束,最后形成粗大全片层组织,β(B2)相则分布于片层团内部及晶界处。2.4烧结温度对大丝束增强和塑性的影响表2列出了采用SPS工艺在不同烧结温度下所获得高铌TiAl合金的室温拉伸性能。实验表明,SPS制备的TiAl基合金均有良好的室温拉伸性能,与铸态合金相当。随烧结温度的提高,所得烧结体组织类型依次为NG、DP、NL、FL。强度呈以下规律:NG最大、DP其次、FL再次、NL的强度最小。合金的塑性由大到小排列依次为:DP(1100℃)塑性最佳、NG(1000℃)其次、FL(1200℃)再次、NL(1150℃)最差。对于在1000、1050℃烧结所获得NG组织,大部分由细小的γ等轴晶粒组成,并含有少量的细小α2相在γ晶界。因其组织最为细小,其强度和塑性本应最高,但是由于在组织中α2相含量相对较少,对γ相中间隙原子净化作用较差,固溶原子对合金起到固溶强化以及沉淀强化作用的同时,其钉扎作用也使γ相的普通位错不易开动,因而使其塑性较DP组织有所降低。在此温度范围内,提高烧结温度,虽然使α2相的体积含量稍有所增加,但也会使晶粒长大,而且后者对合金力学性能影响更为显著,因此在1050℃烧结所获得的NG组织合金较1000℃的强度和塑性均有所降低。当烧结温度提高至1100℃时,合金为DP组织,较1050℃烧结所获得的NG组织,合金强度降低而塑性提高。一方面由于温度升高而引起晶粒长大,另一方面片层晶团体积大幅度增加,而且对材料的塑性影响更为显著。而在1200℃烧结获得的FL组织较NL组织强度和塑性更高,也是由于晶粒尺寸变化不大,而片层晶团体积含量增加。另外,由于TiAl基合金为脆性材料,其断裂受控于形核过程,在NL组织的片层晶团界面上存在大量等轴γ晶粒,γ相的强度较弱,再加上界面上的应力集中,使裂纹易产生于γ晶粒,从而也导致NL组织的强度更低。当烧结温度达到1250~1300℃,合金强度与塑性同时降低。其原因除了温度升高而导致晶粒长大以外,还由于组织中开始出现β相,而β相在室温下是脆相,会同时损害强度与塑性。因而随烧结温度升高,组织中β相的含量越高,合金的强度和塑性越低。3烧结时间对材料显微组织的影响1)采用SPS方法制备高铌TiAl合金,其致密化的最低烧