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钛硅共晶合金基础研究

吴鹤  
【摘要】: 本文系统研究了真空非自耗电弧炉制备的Ti-Si共晶系合金微观组织演变和压缩性能,分析了几种典型合金的相组成和断裂机制,测试了亚共晶Ti-7wt%Si和共晶Ti-8.5wt%Si两种合金在铸态和热等静压处理(HIP)状态下的室温和高温力学性能。深入研究了固溶处理、循环热处理、微合金化以及合金化对提高Ti-Si共晶合金塑性,改善微观组织和压缩性能的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)研究了不同处理后的Ti-Si共晶合金的微观组织、断口形貌和元素在各相中的分布;运用X-射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)研究了合金的相结构;首次采用高分辨电子显微术(HREM)对α-Ti和Ti_5Si_3两相共晶的精细结构及其界面特征进行了细致观察和分析。 微观组织分析表明,随着Si含量的增多,Ti-Si共晶系合金的微观组织受合金类型的影响,分别表现为亚共晶、共晶和过共晶合金的典型组织特征,明显不同于传统的铸造钛合金的片状、针状或“网篮状”组织。由于冷却速度的不同,共晶区的硅化物相呈现出短竿状,片状和菊花状等多样化形貌。XRD、TEM和HREM分析结果表明,Ti-Si共晶系合金中的共晶区由α-Ti和Ti_5Si_3两相组成,两相之间没有特定的取向关系,相界面稳定洁净,晶格畸变小。利用Miedema理论计算,得出β-Ti和Ti_5Si_3两相共晶时的生成热分别为ΔH_(β-Ti)=-11.5kj/mol和ΔH_(Ti_5Si_3)=-50.1kj/mol,Ti_5Si_3相的生成热更负,是共晶反应时的领先相。实验发现,共晶反应生成的Ti_5Si_3相截面为典型的六角形(夹角呈120°),中心镶嵌有球状的α-Ti颗粒。 亚共晶Ti-7wt%Si和共晶Ti-8.5wt%Si两种合金的室温和高温拉伸性能测试结果表明,即使在高温下(600℃),也不能改变Ti-Si共晶合金的本征脆性。虽然热等静压处理(HIP)后的亚共晶Ti-7wt%Si合金,高温下(600℃)的拉伸塑性得到明显提高(δ_5=10.9%),但断口分析显示,合金仍然属于脆性解理断裂。 研究表明,合理的固溶处理(1150℃/1h+WQ)或9次循环热处理(1050℃/30min+AC)后的Ti-Si共晶合金压缩性能分别达到σ=1913MPa,ε_c=20.6%和σ=1740MPa,ε_c=19.6%,极大改善了Ti-Si共晶合金的压缩塑性。过高的处理温度或过长的处理时间,均会导致第二相(Ti_5Si_3)的粗化、长大和搭接。在热处理后的合金中,没有发现新相或马氏体组织的形成。两种热处理工艺得到的Ti-Si共晶合金组织中,原有的共晶团结构消失,第二相(Ti_5Si_3)更加均匀和细化,合金出现明显的宏观塑性变形。断口形貌说明,合金的断裂机制由原来的以脆性相(Ti_5Si_3)解理为主的脆性断裂转变为第二相(Ti_5Si_3)从韧性的基体(α-Ti)中拔出的类韧性断裂。断裂机制的改变,从根本上改善了合金的断裂行为和综合力学性能。 研究发现,微量的低表面能元素(Be、Bi)、稀土元素(Y、Gd、Sm、Dy、Nd)都能有效提高Ti-Si共晶合金的压缩性能,但以钇(Y)和钐(Sm)最为明显,分别达到σ=1411MPa,ε_c=7.1%和σ=1647MPa,ε_c=7.1%。钇(Y)作为微合金化元素的作用主要是增加合金中的共晶团数量,减小了共晶团及Ti_5Si_3相的尺寸。Y原子在合金中主要分布在硅化物(Ti_5Si_3相)中,并有可能替代了部分Si原子,形成新的硅化物Ti_5(Si,Y)_3。钐(Sm)微合金化处理后的合金中没有明显的共晶团存在,Ti_5Si_3相得到了明显细化和均匀化,纳米级(小于100nm)的Ti_5Si_3相颗粒数量超过50%。 与其它元素相比,适量的硼(B)改善Ti-Si共晶合金的塑性最为显著(ε_c=11.5%),其断裂机制为韧性的基体(α-Ti)与第二相(Ti_5Si_3)之间的界面解键,伴有少量撕裂棱和小解理面,属于准脆性断裂。实验发现,随着硼(B)加入量的增多,合金中出现粗大的初生相(Ti_5Si_3)。另外,硼(B)对亚共晶Ti-Si合金的α-Ti枝晶起断续和分散的作用,并能加速Si原子从过饱和β-Ti固溶体中脱溶后向枝晶界扩散,从而抑制了Ti_5Si_3相在β-Ti固溶体中的形核和长大。 铝(Al)是钛合金的重要元素之一。研究表明,适量的Al对Ti-Si共晶合金也有很好的强化和韧化作用(σ=1763MPa,ε_c=8.5%)。少量Al作为合金化元素加入时,会固溶在α-Ti中,并可以减少硅的当量值,从而增加了韧性相α-Ti基体的体积分数,提高合金的塑性。Al的加入减慢了第二相硅化物的析出,使共晶硅化物变得粗大。过量Al的加入,会使共晶硅化物更为粗大。 Ti-Si共晶合金的Zr、Hf合金化研究表明,Zr对压缩强度的影响较小,但可以有效提高合金塑性(ε_c=7.2%)。Zr的加入改变了原始共晶组织中的共晶团结构,促进了初生相的析出,增大了硅的当量值。由于Zr-Si粘合体的自由能大于Ti-Si粘合体的,Zr原子更多地溶于硅化物中,替代Ti原子形成新的硅化物(Ti_(0.6)Zr_(0.4))_5Si_3。Hf对提高Ti-Si共晶合金力学性能的作用不大。


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