Ti含量对Nb-Si-Mo-Ti系合金组织性能的影响.pdf

第 卷第期 年月有色金属工程 ，犱 狅 犻：犼 犻 狊 狊 狀 收稿日期：作者简介：冯贞伟（），男，硕士研究生，主要从事先进材料成形工艺。通信作者：蒋少松（），男，博士，教授，主要从事先进材料超塑成形研究。引用格式：冯贞伟，韩政，蒋少松，等 含量对 系合金组织性能的影响有色金属工程，（）：，（）：犜 犻含量对犖 犫 犛 犻 犕 狅 犜 犻系合金组织性能的影响冯贞伟，韩政，蒋少松，杨增艳（空军装备部驻哈尔滨地区第二军事代表室，哈尔滨 ；哈尔滨工业大学 金属精密热加工国家级重点实验室，哈尔滨 ；深圳市道通智能航空技术股份有限公司北京分公司，北京 ）摘要：为研究 含量对 系合金组织及性能的影响，以机械球磨和 烧结技术结合的方法制备了 狓（狓，）合金，对狓不同时的合金在室温、时的组织及力学性能进行探究。结果表明：含量增多，韧性相逐渐增多并聚集，组成相包括 、和 相。室温下，合金弯曲强度、断裂韧性等有所提高，硬度下降，抗压强度先降后增，狓时，抗压强度最高为 ，而 系合金抗压强度最高为 ，且断裂方式由脆性断裂转变为复合断裂。下，抗压强度先降后增，狓时，最高为 ，随 含量增加，系合金抗压强度最高可达 ，同时有较好塑韧性。压缩后，组织细化，韧性相沿垂直于压缩方向拉长，硬脆相则被挤压到韧性相内部或表面分布。关键词：系合金；含量；组织结构；力学性能中图分类号：文献标志码：文章编号：（）犈 犳 犳 犲 犮 狋 狅 犳犜 犻犆 狅 狀 狋 犲 狀 狋 狅 狀犕 犻 犮 狉 狅 狊 狋 狉 狌 犮 狋 狌 狉 犲犘 狉 狅 狆 犲 狉 狋 犻 犲 狊狅 犳犖 犫 犛 犻 犕 狅 犜 犻犃 犾 犾 狅 狔 ，（，；，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：狓（狓，）狓 ，狓，狓，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；第期冯贞伟等：含量对 系合金组织性能的影响航空发动机是各国关键性产业，高推重比的先进发动机材料应具备轻质、高强的性能，常用高温合金作为原料。但随着航空航天飞行器的发展，传统的钴、镍基高温合金很难再有进展。目前，制备高温合金粉末可通过机械球磨的方法，该方法使不同粉末在高能球磨机中经历破裂、冷焊、重组过程，形成的组织细小均匀。将机械球磨与 技术结合制备的 系合金致密度高、组织均匀，且 系合金的金属间化合物相（、）、韧性相（）等按一定比例组合时，高温强度等性能更优异。系合金断裂韧性、高温抗氧化性较差，而依据 二元相图添加、等元素可改善其综合性能 。因此，系合金从二元到多元的发展成为当前国内外研究热点。陈德志研究了、等元素对 系合金的影响，发现 可降低硅化物剪切模量，可提高硬度。等制备了 合金，发现 含量时，力学性能最优。此外，温恒瑶等、温宝山等 研究了 对 系合金抗氧化性、力学性能、组织的影响，发现 可提高材料抗氧化性、抗弯强度、断裂韧性，降低合金显微硬度，且 含量不同，初生硅化物类型和含量也不同。然而，、元素的加入使合金化更加复杂，且 含量对 系合金组织及性能影响的研究较少。基于此，本文通过机械球磨和 烧结技术制备了一系列 含量不同的 系合金，总结了 含量对 系合金组织及性能的影响规律。试验首先采用机械球磨工艺制备出每一颗粒由多种不同成分组成的复合粉末。把表所示高纯粉末按表高纯元素粉末参数犜 犪 犫 犾 犲犘 犪 狉 犪 犿 犲 狋 犲 狉 狊狅 犳犺 犻 犵 犺狆 狌 狉 犻 狋 狔犲 犾 犲 犿 犲 狀 狋狆 狅 狑 犱 犲 狉 一定比例放入 行星式球磨机，参数选取球料比为、转速 、球磨时间，并加入 无水乙醇，磨罐抽真空，然后充入高纯氩气，最后制得的复合粉末 在 条 件下 干 燥 约，制备出 狓 复合粉末。把 狓 复合粉末放入 型放电等离子烧结炉，抽真空后施加一定大小的预压力。选取烧结温度为 、保温时间 、加压 ，以一定加热速率加热到一定温度时，开始施加烧结压力不变。结束后，卸压并停止加热。在此条件下制备出 含量不同的 狓 合金。在各工艺参数一定的条件下，采用机械球磨与 烧结技术结合的方法，制备了 含量量不同的 狓（狓、）合金，并以射线衍射仪、型扫描电子显微镜、维 氏 硬 度 计，及 型万能试验机、热模拟试验机等手段对 含量不同的 系合金组织进行性能分析。利用维氏硬度计测试时，用砂纸将试样表面打磨抛光后，施加一定载荷并保持，最终值取 个测试点的平均值；而采用三点弯 曲 方 法 测 定 弯 曲 强 度 及 单 边 切 口 直 通 梁 法（）测定平面应变断裂韧性时，其结果均取个试样的平均值。结果与讨论 犜 犻含量对犖 犫 犛 犻 犕 狅 犜 犻系合金组织的影响图为不同 含量下 系合金背散射电子像。图为三个温度下经 烧结后得到的 合 金 的 图 谱。由图可知，合金含有白、灰、黑色三种衬度的相，结合 时的 图谱及 成像性质可知，白、灰和黑色所代表的相依次为：、和 相。由图可知，含量较少时，相弥散分布。含量增加时，相也逐渐增多并聚集，从图（）图可知，元素含量为（原子百分数）时，已经聚集成大块的条带状 相。由图（）、（）可知，出现了白、灰、深灰和黑色四种衬度的相，而 图却显示三种相，故有必要进行能谱分析以确定四种衬度相的成分。有 色 金 属 工 程第 卷图犖 犫 犛 犻 犕 狅 狓犜 犻系合金背散射电子像犉 犻 犵 犅 犪 犮 犽 狊 犮 犪 狋 狋 犲 狉 犲 犱犲 犾 犲 犮 狋 狉 狅 狀 犻 犿 犪 犵 犲 狊狅 犳 狋 犺 犲犖 犫 犛 犻 犕 狅 狓犜 犻 犪 犾 犾 狅 狔图不同烧结温度下犖 犫 犛 犻 犕 狅 犜 犻合金犡 犚 犇图谱犉 犻 犵 犡 犚 犇狆 犪 狋 狋 犲 狉 狀 狊狅 犳 狋 犺 犲犖 犫 犛 犻 犕 狅 犜 犻 犪 犾 犾 狅 狔犪 狋犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋 狊 犻 狀 狋 犲 狉 犻 狀 犵 狋 犲 犿 狆 犲 狉 犪 狋 狌 狉 犲 狊图为 合 金 中 各 相 的 结果。由图可 确 定：白、灰 和黑 色 所 代 表的相依次为：、和 相。而深灰色相中 元 素 含 量 为：、：、：（均为原子百分数），含量极少。故深灰色相也是 相，与白色物相比，的溶解度升高，使相的平均原子序数降低，因 此，像 中的衬度较暗而为深灰色。第期冯贞伟等：含量对 系合金组织性能的影响图犖 犫 犛 犻 犕 狅 犜 犻合金各相犈 犇 犛分析结果犉 犻 犵 犈 犇 犛犪 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊 狉 犲 狊 狌 犾 狋 狊狅 犳 狋 犺 犲犖 犫 犛 犻 犕 狅 犜 犻 犪 犾 犾 狅 狔 犻 狀犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋狆 犺 犪 狊 犲 狊 犜 犻含量对犖 犫 犛 犻 犕 狅 犜 犻系合金性能的影响 室温力学性能图为不同 含量下 狓（狓、）合金的弯曲强度。图为不同 含量下 狓（狓、）合金的断裂韧性。可见 含量增加时，由于 硬脆相消图犖 犫 犛 犻 犕 狅 狓犜 犻合金弯曲强度犉 犻 犵 犅 犲 狀 犱 犻 狀 犵狊 狋 狉 犲 狀 犵 狋 犺狅 犳 狋 犺 犲犖 犫 犛 犻 犕 狅 狓犜 犻 犪 犾 犾 狅 狔图犖 犫 犛 犻 犕 狅 狓犜 犻合金的断裂韧性犉 犻 犵 犉 狉 犪 犮 狋 狌 狉 犲 狋 狅 狌 犵 犺 狀 犲 狊 狊狅 犳 狋 犺 犲犖 犫 犛 犻 犕 狅 狓犜 犻 犪 犾 犾 狅 狔失，韧性相出现且逐渐增多，使合金韧性增加，故可观察到合金的弯曲强度，断裂韧性均逐渐提高。图为不同 含量下 狓（狓、）合金的维氏硬度。由图可见，由于 含量增多，韧性相增加，使合金硬度下降，故可观察到合金的维氏硬度值逐渐降低，且狓，有 色 金 属 工 程第 卷时，维氏硬度值降低剧烈，结合图分析可知，此时形成了大块的条带状 相，故硬度值下降明显。图犖 犫 犛 犻 犕 狅 狓犜 犻合金的维氏硬度犉 犻 犵 犞 犻 犮 犽 犲 狉 狊犺 犪 狉 犱 狀 犲 狊 狊狅 犳 狋 犺 犲犖 犫 犛 犻 犕 狅 狓犜 犻 犪 犾 犾 狅 狔图为不同 含量下 狓（狓、）合金的室温压缩曲线。由压缩曲线可分析合金压缩应变量即压缩率，以及试样破裂所承受的最大压缩应力即抗压强度。向 合金中加入 后，合金压缩率有所提高，而抗压强度有所下降。随着狓数值增加，合金强度先降低后升高，狓时，合金抗压强度达 ，而 系合金抗压强度最高为 。推测当狓 时，韧性相聚集成大块带状，各相分布均匀导致强度升高，且加入 元素后，韧性相产生，韧窝数量增多，故可改善合金塑韧性。图犖 犫 犛 犻 犕 狅 狓犜 犻合金的室温压缩曲线犉 犻 犵 犆 犮 狅 犿 狆 狉 犲 狊 狊 犻 狅 狀犮 狌 狉 狏 犲 狊狅 犳 狋 犺 犲犖 犫 犛 犻 犕 狅 狓犜 犻犪 犾 犾 狅 狔犪 狋 狉 狅 狅 犿狋 犲 犿 狆 犲 狉 犪 狋 狌 狉 犲图为不同 含量下 狓（狓、）合金的室温压缩断口形貌。由图可得，狓 时，存在台阶与河流花样及典型的沿晶断裂特征，为脆性断裂方式。加入 元素后，除存在台阶与河流花样及典型的沿晶断裂特征外，还出现了韧窝特征，且狓增大，韧窝数量也增多，表明加 后，为复合断裂方式，且 元素起到了增塑增韧的作用。图犖 犫 犛 犻 犕 狅 狓犜 犻（狓、）合金的室温压缩断口形貌犉 犻 犵 犉 狉 犪 犮 狋 狌 狉 犲犿 狅 狉 狆 犺 狅 犾 狅 犵 犻 犲 狊狅 犳 狋 犺 犲犖 犫 犛 犻 犕 狅 狓犜 犻（狓，）犪 犾 犾 狅 狔狌 狀 犱 犲 狉犮 狅 犿 狆 狉 犲 狊 狊 犻 狅 狀犪 狋 狉 狅 狅 犿狋 犲 犿 狆 犲 狉 犪 狋 狌 狉 犲第期冯贞伟等：含量对 系合金组织性能的影响 高温力学性能图为不同 含量下 狓（狓、）合金 压缩曲线。由图可见，当狓增大时，压缩曲线逐渐平缓，抗压强度先降后增，狓 时，抗压强度最高，约 ，系合金抗压强度最高，约 。结合图可知，狓时，形成了较多深灰色的 相，且 含量增多，使 在 中的固溶度降低，导致 相的强度降低，从而使合金强度最低。图 为 和 合金于 压缩后的显微组织。由图 可得，高温变形后的组织细化程度增加，、韧性相沿垂直于压缩方向拉长，而硬脆的金属间化合物相被挤压到韧性相内部或表面分布。图犖 犫 犛 犻 犕 狅 狓犜 犻（狓、）合金 压缩曲线犉 犻 犵 犆 狅 犿 狆 狉 犲 狊 狊 犻 狅 狀犮 狌 狉 狏 犲 狊狅 犳 狋 犺 犲犖 犫 犛 犻 犕 狅 狓犜 犻（狓，）犪 犾 犾 狅 狔犪 狋 图 犖 犫 犛 犻 犕 狅 犜 犻系合金 压缩后显微组织犉 犻 犵 犕 犻 犮 狉 狅 狊 狋 狉 狌 犮 狋 狌 狉 犲 狊狅 犳 狋 犺 犲犖 犫 犛 犻 犕 狅 犜 犻 犪 犾 犾 狅 狔犪 犳 狋 犲 狉犮 狅 犿 狆 狉 犲 狊 狊 犻 狅 狀犪 狋 结论）狓（狓、）合金中，随着 含量增多，在 中溶解度增大并抑制了 固溶于 相中，韧性相逐渐增多并聚集，组成相包括 、和 相。）由于 含量增多，韧性相增多，导致室温下合金弯曲强度、断裂韧性、压缩率提高，硬度下降，且狓增大，相分布更均匀，致使抗压强度先降后增。断口形貌中韧窝数量增多，断裂方式由脆性断裂转变为复合断裂。下，随着 含量增多，合金压缩 率曲线 逐渐 平缓，抗压 强度 先 降 后 增。狓时，在 图中形成了深灰色物相的 相，的固溶度降低，合金强度最小，压缩后组织细化，、韧性相沿垂直于压缩方向拉长，而硬脆的金属间化合物相被挤压到韧性相内部或表面分布。）合金室温及 下抗压强度分别高达 和 。系合金室温及 下抗压强度分别可达 和 ，同时有较好塑韧性。参考文献：王攀智，龚忠兴，张正，等航空发动机用 高温合金热变形行为有色金属工程，（）：，（）：，有 色 金 属 工 程第 卷 ，（）：弋诗文，李解，张文浩，等机械合金化结合微波烧结制备钡铁氧体的研究有色金属工程，（）：，（）：，（），（）：，（），（）：徐严谨，褚楚，侯红亮，等超高温 基复合材料研究现状 稀 有 金 属 材 料 与 工 程，（）：，（）：，：，（）：陈德志多元 基合金显微组织及力学性 能研究哈尔滨：哈尔滨工业大学，：，（）：温恒瑶，龙文元 掺杂量对 基合金抗氧化性的影响材料热处理学报，（）：，（）：温宝山，骆良顺，刘仁慈，等 对 合金组织及力学性能影响特种铸造及有色合金，（）：，（）：