Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系高温钛合金的制备及其力学性能研究*

林宗德，李省委

(闽南理工学院 工业机器人测控与模具快速制造福建省高校重点实验室，福建 石狮，362700)

0 引 言

近二十年来，钛及钛合金越来越受到人们的广泛关注[1-4]。钛合金以其比强度高、耐蚀性好、耐热性高等优点被应用于航空航天、汽车、医疗等行业[5-8]。随着经济技术的发展，对钛合金的要求也越来越高。作为一种航空航天材料，钛合金也存在着一些弊端。钛合金应用的主要限制是在高温时与其它材料的化学反应性差，此性质迫使钛合金与一般传统的精炼、熔融和铸造技术不同，甚至经常造成模具的损坏[9-11]。而钛合金价格昂贵也是限制其发展的一个关键因素。

钛合金中的合金元素的种类及含量会对合金的组织形貌产生影响，而合金的组织形貌又会决定钛合金的各项性能指标[12]。Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系合金因其高的高温强度、蠕变性能、疲劳强度和热稳定性等，成为了当前应用最广泛的高温钛合金系[13-14]。高温钛合金的极限温度在600 ℃左右，超过该温度后，钛合金的抗氧化性能和蠕变性能会急剧下降，因此，600 ℃也成了钛合金的一个台阶[15]。对于Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系合金来说，由于是近α系钛合金，如果合金基体中加入少量β相可提高合金的塑性[16]。而高温钛合金中的Ti、Al、Sn、Zr、Mo和Si这6种元素的含量对合金的性能有着重要影响[17]。近几年来，越来越多的学者开始关注钛合金元素含量、热处理等与合金性能之间的关系[18-19]。郭佳林等[20]研究了Mo对650 ℃高温钛合金组织和性能的影响，研究发现Mo可以细化钛合金的显微组织，且能在较小幅度降低其室温塑性的前提下，显著提高其室温强度，Mo的质量分数为0.6%时,对钛合金热稳定性能有很好的改善作用。朱郎平等[21]研究了热处理对高温钛合金TG6铸造组织及性能的影响，研究表明TG6合金在铸态下为晶粒粗大的魏氏组织，组织中存在缩松缺陷，经过750 ℃退火热处理后，组织中β板条部分溶解,并析出(TiZr)6Si3硅化物，合金的室温拉伸延伸率提高到5%以上。因此，本文选择Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系合金为基础材料，通过改变Sn的掺杂比例，制备出Ti-6Al-xSn-4Zr-1Mo-0.8Si-0.5B高温钛合金(x=2，4，6，8)，并对其形貌和力学性能进行了分析研究。

1 实 验

1.1 实验原材料

根据高温钛合金的总质量和成分计算出各成分所需质量，样品制备原料分别选用块状纯金属，实验原料包括：0级海绵钛(99.80%(质量分数))、高纯铝块(99.99%(质量分数))、高纯锡块(99.97%(质量分数))、海绵锆(99.99%(质量分数))、纯钼(99.95%(质量分数))、纯硅(99.50%(质量分数))、B粉(99.50%(质量分数))。

1.2 样品的制备

选择Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α合金，通过改变Sn的含量，制备4种不同Sn含量Ti-6Al-xSn-4Zr-1Mo-0.8Si-0.5B高温钛合金样品，x分别取2，4，6和8，设计每组钛合金样品的质量为1 200 g。制备过程如下：采用自购RVIM-3 型高活性合金真空感应熔炼炉，将称量好的原料加入到坩埚中，熔炼前先将模具预热到350 ℃下3 h，保证不受水汽成分等影响，为了保证成分的均匀性，对钢锭进行3次翻转和重熔，在熔炼过程中，充入氩气为保护气氛，在1 000 ℃下熔炼12 h后随炉冷却到室温，将得到的样品进行线切割，最后采取抛光处理。

1.3 样品的测试与表征

将制备的高温钛合金样品切割成尺寸为10 mm×10 mm×5 mm的方块试样，选取SiC砂纸进行打磨，采用丙酮超声清洗干净后进行性能测试。采用X射线衍射仪(XRD，Bruker D8 Advance)对样品进行物相分析；使用透射电子显微镜(TEM，JEOL JEM- 2010F)和场发射扫描电子显微镜(SEM，日立FE-4800型)对样品的显微结构和组成进行分析；采用Instron-5569型电子万能材料试验机在室温条件下对样品的力学性能进行测试分析。

2 结果与讨论

2.1 XRD分析

图1为不同Sn掺杂比例的高温钛合金样品的XRD谱图。从图1可以看出，4种高温钛合金样品都结晶良好，且均为α相组合而成。样品中虽然掺杂有Mo和Si等β相稳定元素，但并未出现β相，这可能是因为所掺的合金元素含量较少。

图1 不同Sn掺杂比例的高温钛合金样品的XRD谱图Fig 1 XRD patterns of high temperature titanium alloys with different Sn doping ratios

2.2 SEM和TEM分析

图2为不同Sn掺杂比例的高温钛合金样品的SEM图。从图2可以看出，4种高温钛合金样品均由板条α相组成，这一结果与XRD衍射结果相吻合。由图2(a)～(d)可知，随着Sn含量的增加，板条的宽度逐渐变大，这是由于Sn含量的增加导致了高温钛合金的相变温度增加，因而在冷却过程中高相变温度的钛合金其元素的扩散速率更快，从而相变时间更长，α晶粒的生长时间就会更长，导致板条宽度增加[22]。

图2 不同Sn掺杂比例的高温钛合金样品的SEM图Fig 2 SEM images of high temperature titanium alloys with different Sn doping ratios

为了更清楚地观察Sn对钛合金微观组织的影响，通过透射电子显微镜对Sn含量为2%和8%(质量分数)的高温钛合金样品进行了微观组织观察。图3为不同Sn掺杂比例的高温钛合金样品的TEM谱图。从图3(a)可以看出，当Sn含量为2%(质量分数)时，高温钛合金中α板条的宽度在0.3 μm左右，并且板条中的位错等缺陷并不明显。从图3(b)可以看出，当Sn含量增加到8%(质量分数)时，高温钛合金中α板条的宽度在0.6 μm左右，且在板条内部同时出现大量位错及层错。说明Sn含量的增高，使得高温钛合金发生了晶格畸变，增加了位错密度，而位错和缺陷的存在对原子滑移产生了阻碍作用，使得高温钛合金的强度得到提升。即随着Sn含量的增加，高温钛合金层错能逐渐降低，位错密度增加，强度得到提升。

图3 不同Sn掺杂比例的高温钛合金样品的TEM谱图Fig 3 TEM spectra of high temperature titanium alloys with different Sn doping ratios

2.3 力学性能分析

对4种不同Sn掺杂比例的高温钛合金在常温下进行拉伸实验，结果如图4所示。从图4可以看出，随着Sn含量的增加，高温钛合金的延伸率呈现逐渐下降的趋势，当Sn含量为8%(质量分数)时，高温钛合金仅在延伸1.83%处就发生了断裂，相比Sn含量为2%(质量分数)时的7.86%处，降低了76.72%。

图4 不同Sn掺杂比例的高温钛合金样品的拉伸应力-应变曲线Fig 4 Tensile stress-strain curves of high temperature titanium alloys with different Sn doping ratios

将4种不同Sn掺杂比例的高温钛合金样品的屈服强度、抗拉强度和延伸率进行汇总，结果如表1所示。由表1可知，随着Sn含量的增加，高温钛合金的屈服强度呈现逐渐上升的趋势，抗拉强度呈现先上升后下降的趋势，延伸率呈现逐渐下降的趋势。当Sn含量为8%(质量分数)时，高温钛合金的屈服强度最大，为1466.74 MPa；抗拉强度最小，为1560.38 MPa；延伸率最小，仅为0.68%，相比Sn含量为2%(质量分数)时的6.13%，下降了88.91%。

表1 不同Sn掺杂比例的高温钛合金样品的拉伸性能

图5为不同Sn掺杂比例的高温钛合金样品的拉伸断口SEM图。对比图5(a)和(b)可以以发现，两种高温钛合金拉伸断口的韧窝都不太明显，Sn含量为2%(质量分数)的合金的撕裂棱长比Sn含量为4%(质量分数)的合金更长，表明在拉伸过程中图5(a)的形变量要多于图5(b)。图5(c)和(d)的断面都相对平整，Sn含量为6%(质量分数)的合金的撕裂棱长比Sn含量为8%(质量分数)的合金更长，表明图5和(d)在拉伸过程中发生的断裂更为集中。

图5 不同Sn掺杂比例的高温钛合金样品的拉伸断口SEM图Fig 5 SEM images of tensile fracture of high temperature titanium alloys with different Sn doping ratios

3 结 论

(1)XRD分析发现，4种不同Sn含量的高温钛合金都结晶良好，且均由单一的α相组合而成，未发现β相。

(2)SEM和TEM分析发现，4种高温钛合金样品均由板条α相组成，随着Sn含量的增加，板条的宽度逐渐变大；当Sn含量从2%(质量分数)增加到8%(质量分数)时，α板条的宽度从0.3μm左右逐渐增加到0.6μm左右。说明随着Sn含量的增加，高温钛合金层错能逐渐降低，位错密度增加，强度得到提升。

(3)力学性能分析可知，随着Sn含量的增加，高温钛合金的屈服强度呈现逐渐上升的趋势，抗拉强度呈现先上升后下降的趋势，延伸率呈现逐渐下降的趋势。当Sn含量为8%(质量分数)时，高温钛合金的屈服强度最大，为1 466.74 MPa；抗拉强度最小，为1 560.38 MPa；延伸率最小，仅为0.68%。