2018, Vol. 39
2. 中国科学院 金属研究所, 辽宁 沈阳 110016
2. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China
高温钛合金是在航空发动机的需求牵引下发展起来的, 其可大幅度降低航空发动机的结构质量, 提高航空发动机推重比, 在航空发动机领域有着极为广阔的应用前景。目前成熟的高温钛合金的最高使用温度是600 ℃, 各国研发的600 ℃高温钛合金为Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α合金, 其中比较典型的有IMI834, Ti-1100, BT18Y和Ti60钛合金等[1-5]。随着航空发动机推重比的提高, 其工作温度相应提高, 更高使用温度的钛合金(650 ℃高温钛合金)成为研发的热点。日本的研究者在IMI834钛合金基础上研制出IMI834-Ta(Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.5Mo-1.0Ta-0.35Si-0.06C)钛合金, 用1.0%Ta(本文若无特殊说明, %均为质量分数)代替0.7%Nb, 提高了合金的高温持久性能、蠕变性能和抗氧化性能。俄罗斯研究者在1992年研制出添加了5%BT36的钛合金(Ti-6.2Al-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-5.0W-0.15Si)。GE公司研制出一种由Al, Sn, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo和Si等合金元素组成的650 ℃高温钛合金, 加入Hf和Ta明显提高了材料的高温抗拉强度、蠕变性能和抗氧化性能, 但由于Al当量达到9.4, 且采用β热处理制度时, 显微组织为全片层组织, 其塑性和热稳定性能较差。此外, 该合金中Hf+Ta的总量超过了8%, 造成该合金成本较高。宝钛集团有限公司和中国科学院金属研究所共同研制出一种合金体系为Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Ta-Si-W-C的650 ℃高温钛合金, 并具有良好的综合性能, 实现了热稳定性能和热强性之间的良好匹配。
纵观各国600~650 ℃高温钛合金的发展史, Mo是此类高温钛合金中必不可少的关键元素。许多研究表明[6-14]:Mo是强β相稳定元素, 对材料强韧性匹配有重要的影响, 该元素对在动载荷作用下合金的抗裂纹扩展阻力和塑性的贡献较Zr, Sn, Al大(Mo＞Zr＞Sn＞Al); Mo可以细化合金的显微组织, 在强化合金的同时对塑性影响较小; 加入一定量Mo的600 ℃高温钛合金综合性能优良, 具有较优的热强性、工艺塑性和热稳定性能。
本文以宝钛集团有限公司和中国科学院金属研究所研制的Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Ta-Si-W-C系650 ℃高温钛合金为基础, 开展了Mo含量对650 ℃高温钛合金性能影响的研究。
1 试验试验合金名义成分为Ti-5.5Al-4.0Sn-3.4Zr-0.3Nb-1.0Ta-0.45Si-0.8W-xMo(质量分数, %, 下同), 其中Mo含量分别为0, 0.3%, 0.6%和0.9%。合金铸锭经锻造→精锻后, 制成ϕ30 mm的棒材, 用砂轮下料, 每支试验料长度200 mm, 在三段式电阻炉内热处理后, 采用电火花线切割成ϕ11 mm, ϕ13 mm和ϕ17 mm的棒材, 分别用于加工M10 mm×ϕ5 mm, M12 mm×ϕ5 mm和M16 mm×ϕ10 mm的拉伸、持久和蠕变试样, 进行力学性能测试。
热处理制度:Ⅰ, βT(β转变温度)-30 ℃/2 h, OQ(油淬)+700 ℃/5 h, AC(空冷); Ⅱ, βT-20 ℃/2 h, OQ+700 ℃/5 h, AC。
2 结果与分析 2.1 显微组织据文献报道[15], IMI834钛合金在含有体积分数为15%的初生α相时具有良好的综合性能。因此, 本文采用热处理制度Ⅱ对不同Mo含量的试验合金进行热处理, 得到图 1所示的显微组织, 初生α相体积分数约为15%。从图 1中可以看出, 随着Mo含量的增加, 等轴初生α相的直径有所减小, β相转变组织内部的片状次生α相越来越细。经检测, 采用热处理制度Ⅰ对试验合金进行热处理后, 试验合金中的初生α含量为30%~40%。
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图 1 热处理制度Ⅱ下不同Mo含量钛合金的SEM照片 Fig. 1 SEM images of tiantanium alloy with different Mo contents heat treated by heat treatmentⅡ |
图 2为采用热处理制度Ⅱ处理后, 棒材的室温拉伸性能。由图 2可见, 随着Mo含量的增加, 合金室温强度明显增加, 室温塑性则变化不大, 说明Mo能在较小幅度降低合金室温塑性的前提下, 显著提高合金的室温强度。
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图 2 不同Mo含量试验合金的室温拉伸性能 Fig. 2 Room temperature tensile properties of titanium alloy with different Mo contents |
图 3为采用热处理制度Ⅱ处理后, 棒材的高温拉伸性能。由图 3可见, 随着Mo含量的增加, 合金高温强度略有升高, 650 ℃时, 伸长率变化不大, 收缩率有升高的趋势。
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图 3 不同Mo含量的试验合金的650 ℃高温拉伸性能 Fig. 3 Elevated temperature(650 ℃) tensile properties of test alloy with different Mo contents |
测试了两种热处理制度下合金的高温持久性能和蠕变性能, 结果见图 4和图 5, 此处每种情况下为双组测试数据, 分析时取其平均值。
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图 4 不同Mo含量的试验合金的高温持久性能 Fig. 4 High temperature endurance properties of test alloy with different Mo contents |
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图 5 不同Mo含量的试验合金的蠕变性能 Fig. 5 Creep properties of test alloy with different Mo contents |
从图 4和图 5中可以看出:初生α相含量对合金的高温持久性能和蠕变性能有极大的影响, 随着初生α相含量的增加, 高温持久性能下降, 蠕变性能则会得到提高; 合金的高温持久性能和蠕变性能具有强烈的组织敏感性, 初生α相含量对高温持久性能和蠕变性能的作用要远大于Mo; 合金的高温持久性能和蠕变性能同时具有较强的温度敏感性, 630和650 ℃条件下, Mo的影响作用存在差异。
鉴于上述几点, 将结合温度、初生α相含量和Mo含量等因素具体分析图 4、图 5中试验合金高温持久性能和蠕变性能的变化趋势。
2.2.1 高温持久性(1) 630 ℃时, 试验合金中初生α相体积分数为30%~40%。添加0~0.3%Mo, 随着Mo含量的增加, 试验合金的高温持久性能下降; Mo含量为0.3%~0.9%时, 随着Mo含量的增加, 试验合金的高温持久性能提高, 但仍大大低于不添加Mo时的水平, 当Mo含量增加到0.9%时, 试验合金的高温持久性能恢复到不添加Mo时的水平。
(2) 630 ℃时, 试验合金中初生α相体积分数约为15%。添加0~0.3%Mo, 随着Mo含量的增加, 试验合金的高温持久性能快速提高; Mo含量为0.3%~0.6%时, 试验合金的高温持久性能基本没有变化; 当Mo含量增加到0.9%时, 试验合金的高温持久性能略有提高。
(3) 650 ℃时, 试验合金中初生α相体积分数为30%~40%。Mo含量对试验合金的高温持久性能影响甚微。
(4) 650 ℃时, 试验合金中初生α相体积分数约为15%。添加0~0.3% Mo, 随着Mo含量的增加, 试验合金的高温持久性能变化不明显; Mo含量为0.3%~0.6%时, 随着Mo含量的增加, 试验合金的高温持久性能快速提高, Mo含量达0.6%时, 试验合金高温持久性能最高; Mo含量为0.6%~0.9%时, 随着Mo含量增加, 试验合金的高温持久性能下降。
2.2.2 蠕变性能(1) 630 ℃时, 试验合金中初生α相体积分数为30%~40%。添加0~0.3% Mo, 随着Mo含量的增加, 试验合金的蠕变性能无变化; Mo含量为0.3%~0.9%时, 随着Mo含量增加, 试验合金的蠕变性能迅速降低。
(2) 630 ℃时, 试验合金中初生α相含量约为15%。Mo含量对试验合金的蠕变性能影响甚微。
(3) 650 ℃时, 试验合金中初生α相体积分数为30%~40%。添加0~0.3%Mo, 随着Mo含量的增加, 试验合金的蠕变性能有一定程度的提高; Mo含量为0.3%~0.9%时, 随着Mo含量的增加, 试验合金的蠕变性能迅速降低。
(4) 650 ℃时, 试验合金中初生α相体积分数约为15%。添加0~0.9% Mo, 随着Mo含量的增加, 试验合金的蠕变性能迅速降低。
2.3 Mo对合金热稳定性能的影响图 6和图 7分别为热处理制度Ⅰ(初生α相体积分数为30%~40%)和Ⅱ(初生α相体积分数约为15%)条件下, 不同Mo含量的试验合金的热稳定性能。
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图 6 热处理制度Ⅰ条件下不同Mo含量的试验合金的热稳定性能 Fig. 6 Thermal stability of test alloy with different Mo contents heat treated by heat treatmentⅠ |
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图 7 热处理制度Ⅱ条件下不同Mo含量的试验合金的热稳定性能 Fig. 7 Thermal stability of test alloy with different Mo contents heat treated by heat treatmentⅡ |
由图 6可见, 热处理制度Ⅰ条件下, 试验合金经630和650 ℃热暴露后, 试验合金的伸长率和断面收缩率均在1%这个极小的范围内波动, Mo含量对试验合金热稳定性能的影响不显著。热处理制度Ⅱ条件下, 如图 7所示, 0.6% Mo对试验合金的热稳定性能有很好的改善作用。
3 结论(1) Mo可以细化试验合金中等轴初生α相和β转变组织中的片状次生α相, 能在较小幅度降低室温塑性的前提下, 显著提高试验合金的室温强度, 但对650 ℃高温强度和塑性影响不显著。
(2) 随着初生α相体积分数的增加, 试验合金的高温持久性能下降, 蠕变性能提高, 630和650 ℃条件下, Mo的作用存在差异。
(3) 在较低固溶温度下(试验合金中初生α相体积分数为30%~40%), Mo含量对试验合金热稳定性能的影响不显著。较高固溶温度下(初生α相体积分数约15%), 0.6% Mo对试验合金的热稳定性能有较好的改善作用。
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