稀土元素Y对TC4钛合金力学性能的影响_王济生.pdf

材料开发与应用2023 年 2 月文章编号:10031545(2023)01004206测试与分析稀土元素 Y 对 TC4 钛合金力学性能的影响王济生(河南中原重型锻压有限公司，河南 济源 454650)摘要:为探讨稀土元素 Y 对 TC4 钛合金力学性能的影响，熔炼制备出稀土元素 Y 含量(质量分数)为 03%、06%、09%的 TC4Y 钛合金，然后分别检测 TC4Y 钛合金的致密度、硬度、室温拉伸性能及高温拉伸性能。结果表明，随着 Y 元素含量的升高，合金的致密度、硬度、强度及塑性先升高后降低。当 Y 含量为 03%时，TC4 钛合金的硬度最高;当 Y 含量为 06%时，TC4 钛合金的致密度最高，强度及塑性最好。在钛合金中加入稀土元素 Y 后，钛合金的晶粒尺寸迅速降低。综合考虑，当稀土元素 Y 的含量为 06%时，TC4 钛合金的力学性能最佳。关键词:稀土元素;钇;TC4 钛合金;力学性能中图分类号:TG4567文献标识码:AEffect of are Earth Element Y on Mechanical Propertiesof TC4 Titanium AlloyWANG Jisheng(Henan Zhongyuan Heavy Forging Co，Ltd，Jiyuan 454650，China)Abstract:In order to investigate the effect of different contents of rare earth element Y on the mechanical properties of titaniumalloy TC4，TC4Y titanium alloys with rare earth element Y contents of 03%，06%and 09%are prepared by smelting tech-nology Then the density，hardness，tensile properties at room and high temperatures of TC4Y titanium alloys are tested Theresults show that the mechanical properties of TC4 titanium alloy are improved by adding rare earth Y With the increase of Y el-ement content，the density，hardness，strength and plasticity of the alloy increase first and then decrease When the Y content is03%，the hardness of TC4 titanium alloy is the highest When the Y content is 06%，TC4 titanium alloy has the highest densi-ty and the best strength and plasticity The grain size of TC4 titanium alloy decreases rapidly when Y is added When the addi-tion of Y is 06%，the mechanical properties of TC4 titanium alloy are the bestKeywords:rare earth element;Y;TC4 Titanium Alloy;mechanical properties收稿日期:20220822作者简介:王济生，男，1962 年生，高级工程师，研究方向为钛合金材料性能研究。Email:onets 0581 126com引用格式:王济生 稀土元素 Y 对 TC4 钛合金力学性能的影响 J 材料开发与应用，2023，38(1):4247WANG J S Effect of rare earth element Y on mechanical properties of titanium alloy TC4 J Development and Ap-plication of Materials，2023，38(1):4247自美国 1954 年第一次成功研制出钛合金后，钛合金因其高强度和优良的耐热性、韧性、塑性、耐蚀性等性能而被广泛应用于生物、医疗、石油、航空航天等领域。由于生产开发的需要，人们对钛合金性能的研究也随之逐步深入，有学者提出了稀土元素对钛合金的性能可以产生一定的影响1。稀土元素 18 世纪被科学家发现，在20 世纪 50 年代被应用于钛合金中，随着钛合金24DOI:10.19515/ki.1003-1545.2023.01.001第 38 卷第 1 期王济生:稀土元素 Y 对钛合金 TC4 力学性能的影响的发展及广泛应用，稀土元素在钛合金中的应用也越来越多2。稀土元素能够提高钛合金的服役温度，提高钛合金在高温环境下的性能，促进钛合金在汽车、轮船、航空、石油等各行业的应用。稀土元素在钛合金中的应用也是未来钛合金的发展方向35 之一。稀有金属性质比较活泼，与氧元素的亲和力也比较高，所以很容易与合金中的氧发生反应生成氧化物。厌氧环境可以保证高温条件下钛合金不与空气中的氧发生反应，而稀土元素可以与合金中的氧发生反应以净化合金基体6。稀土元素的氧化物具有较高的熔点，在高温条件下比较稳定，对于提高合金的高温力学性能也有显著的作用78。不同的稀土元素对钛合金性能的作用不同，稀土元素钇(Y)具有细化晶粒的作用，加入合金之后能促使合金形成氧化膜，有效地抑制合金的氧化9。稀土元素的含量较低时，稀土元素分布在合金的晶界处，主要通过促进细小晶粒的生成来加强合金的效果;当稀土元素的含量逐渐上升时，晶粒的生成会促进合金发生位错，进而提高合金的强度及性能1011。在合金中添加稀土元素虽然对合金的性能有一定的提高，但并不是添加的含量越多越好，因此稀土元素的添加量也是研究的一个热门。为研究稀土元素 Y 的含量对钛合金力学性能的影响，本试验在钛合金中加入不同含量的稀土元素 Y，同时以不添加稀土元素 Y 的钛合金作为对比，研究钛合金的力学性能的变化情况。1试验方法TC4(Ti6Al4V)粉(粒径 155 m)的化学成分见表 1。Y 是以 AlY 中间合金的形式加入的。原料在高纯度的氩气环境中经过真空非自耗电极电弧炉 2 次熔炼，融化后降至常温，制备出 Y 含量分别为 0、03%、06%、09%的合金，合金化学成分见表 2。将制备好的材料加工为 12 mm50 mm 的试样，在试样上切取拉伸试样、硬度测试试样。按照 GB/T 22812010金属材料拉伸试验方法 要求对试样进行室温拉伸试验检测。按照GB/T 22822015 金属材料拉伸试验第 2 部分高温试验方法 要求对试样进行高温拉伸试验检测。利用室温及高温拉伸试验测试合金的抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率。按照 GB/T 2312012 金属材料布氏硬度试验在 DHB3000 型布氏硬度计上进行硬度测量，试样直径为 10 mm，压力为 294 kN，保持载荷 15 s。通过排水法测量试样的致密度。表 1TC4(Ti6Al4V)粉的化学成分Table 1Chemical compositions of TC4(Ti6AL4V)powders(w)%OCAlVTi013001643408943表 2TC4Y 合金的化学成分Table 2Chemical compositions of TC4Y(w)%合金AlOTiYTC464301389430TC403%Y699013885703TC406%Y661014886406TC409%Y6280128869092结果及分析21不同 Y 含量对钛合金硬度的影响在 TC4 钛合金中添加不同含量的稀土元素Y 后，其硬度检测结果见图 1。由图 1 可知，随着稀土元素 Y 含量的变化，TC4 钛合金的硬度变化幅度较大。在 TC4 钛合金中加入 Y 元素后，钛合金的硬度呈上升趋势;当稀土元素 Y 含量达到03%时，钛合金的硬度相较于不含 Y 元素的钛合金的升高了 1035%;但是当稀土元素 Y 含量超过 03%时，钛合金的硬度随之下降;当 Y 含量达到 09%时，钛合金的硬度已经低于不含 Y 时钛合金的硬度。这是因为随着稀土元素 Y 的添加量越来越大，大量的第二相在晶界处生成，使相界间的结合强度变弱，进而引起合金软化，硬度下降。22稀土元素 Y 含量对钛合金致密度的影响针对不同 Y 含量的 TC4 钛合金，其致密度检34材料开发与应用2023 年 2 月测结果见图 2。由图 2 可以看出，TC4 钛合金添加稀土元素 Y 后，致密度明显比不添加稀土元素Y 的有所增加;当稀土元素 Y 含量为 06%时，TC4 钛合金的致密度达到最高值，相较于不含稀土元素钛合金的致密度增加了 035%;当 Y 含量达到 09%时，TC4 钛合金的致密度反而下降，并且比 Y 含量为 03%时的致密度稍有下降，说明稀土元素添加量过高时，不利于提高合金的孔隙率，致使合金的密度不升反降。图 1TC4 钛合金硬度随 Y 含量的变化趋势Fig 1The hardness of TC4 titanium alloy changingwith Y content23不同 Y 含量对钛合金室温拉伸性能的影响钛合金 TC4 加入不同含量的稀土元素 Y 后，其室温拉伸性能结果见图 3。由图 3 可知，当添加的稀土元素 Y 含量为 03%及 06%时，合金的塑性和强度较添加 Y 元素之前均有显著的提升;当 Y 含量为 06%时，钛合金的力学性能最好;而当 Y 含量大于 06%时，合金的强度及塑性有所下降，但是相较于不含 Y 元素合金的，其强度和塑性稍有提高。这表明稀土元素 Y 的添加对TC4 钛合金的强度及塑性有很强的促进作用。当加入的稀土元素含量较高(09%)时，钛合金的强度及塑性仍有一定的增强，但是增强效果弱于添加低含量(03%及 06%)稀土元素的。图 2TC4 钛合金致密度随 Y 含量的变化趋势Fig 2The densification trend of TC4 titanium alloychanging with Y content图 3TC4 钛合金室温塑性及强度随 Y 含量的变化趋势Fig 3The change trend of ductility and strength of TC4 titanium alloy at room temperature with Y content24不同 Y 含量对钛合金高温拉伸性能的影响添加不同含量稀土元素 Y 后 TC4 钛合金的高温拉伸性能结果见图 4。由图 4 可知，不同稀土元素 Y 含量的 TC4 钛合金在 650 条件下高温拉伸性能与室温拉伸性能(图 3)变化趋势大致相同，但是相比室温条件下的拉伸性能，高温条件下的塑性包括伸长率和断面收缩率都有显著的提高，而抗拉强度和屈服强度有明显的下降。由图 4 可知，加入不同含量的稀土元素 Y后，TC4 钛合金的高温塑性及高温强度均有不同程度的变化。随着 Y 添加量的升高，TC4 钛合金的高温塑性及高温强度呈现先升高后降低的变化趋势。当稀土元素 Y 的加入量为 06%时，TC4钛合金的高温力学性能均处于最高点;当稀土元44第 38 卷第 1 期王济生:稀土元素 Y 对钛合金 TC4 力学性能的影响素 Y 的含量大于 06%时，TC4 钛合金的力学性能随着 Y 含量的升高反而降低;当稀土元素 Y 含量达到 09%时，TC4 钛合金的高温力学性能稍微高于不含 Y 元素的 TC4 钛合金的力学性能。由于氧元素的存在能降低钛合金的塑性，所以在钛合金中加入稀土元素 Y 后生成稀土元素的氧化物 Y2O3，使得钛合金的氧含量降低，进而提高钛合金的塑性。稀土氧化物 Y2O3作为钛合金中的第二相，能够阻碍合金中晶界的移动，进而提升合金的拉伸性能。但是当稀土元素 Y 的添加量过多时，Y2O3的尺寸就会不断变大，而较大尺寸的 Y2O3会引发合金裂纹的产生，降低合金的拉伸性能。图 4钛合金 TC4 高温强度随 Y 含量的变化趋势Fig 4The high temperature plasticity and strength of TC4 titanium alloy changing with Y content25不同 Y 含量对钛合金晶粒尺寸的影响通过 Image J 图像处理软件计算钛合金的晶粒尺寸，结果见表 3。由表 3 可知，在钛合金中加入稀土元素 Y 后，钛合金的晶粒尺寸迅速降低，而随着稀土元素 Y 含量的增加，钛合金的晶粒尺寸也随之增大。当加入的稀土元素 Y 含量为09%时，钛合金的晶粒尺寸达到 407 m。在钛合金中添加稀土元素 Y 后，晶粒尺寸明显减小，说明稀土元素 Y 对钛合金的晶粒尺寸有明显的细化作用。表 3不同 Y 含量的钛合金晶粒尺寸Table 3Grain sizes of titanium alloys with differentcontents of rare earth element Ym003%06%09%65937639240726不同 Y 含量钛合金的断口形貌在钛合金中加入不同含量的稀土元素后，钛合金的断口形貌见图 5。由图 5 可知，不含稀土元素的钛合金的断口形貌主要以准解理断裂为主，此时钛合金的伸长率最低;当稀土元素 Y 的添加量为 03%时，钛合金的断口形貌主要为韧窝断裂，其断裂方式主要为韧性断裂;当稀土元素 Y 的添加量为 06%时，钛合金的断口形貌为韧窝断裂，韧窝也变大变深，钛合金的塑性及韧性也随之增强;当稀土元素 Y 的添加量为 09%时，韧窝的数量明显下降，此时不利于钛合金塑性的提高。3讨论稀土元素在钛合金中一般有 3 种形式，第 1种是直接固溶，这种是少量的;第 2 种是以金属间化合物的形式存在，这种也是少量的;第 3 种是稀土元素与钛合金组织间隙中的氧发生反应，这种含量是最高的1213。稀土元素活性比较高，能够优先与合金中的碳和氮形成夹杂，降低碳、氮的杂质结合率，进而提高碳、氮在合金中的溶解度14。钛合金中的氧原子可以降低钛合金材料的塑性，稀土 Y 元素是一种脱氧剂，并且能力较强，钛合金中加入稀土元素 Y 后，能够使钛合金脱氧，在材料中最先形成自由能最低的 Y2O3，氧含量降低之后合金 相的位错滑移能力提高，相的含量也有所提高，进而提高钛合金的塑性1518。在钛合金中添加稀土单质后可以使稀土和合金中的其它元素生成稀土第二相，比如稀土元54材料开发与应用2023 年 2 月素与合金中的氧生成稀土氧化物，稀土第二相可以提高合金的形核率，阻止合金中的晶界发生移动，阻碍晶粒长大，进而促进合金的晶粒细化，减小晶粒尺寸，降低钛合金的应力集中程度及孔隙率，还可以提高钛合金的致密度和硬度1921。钛合金力学性能的提高主要是合金组织细化的结果，稀土元素的加入可以促进钛合金的相转变，促进提高钛合金的力学性能。虽然添加稀土元素能够提高钛合金的性能，但也并非加入的越多越好。稀土元素含量不同，钛合金的性能也不相同。当稀土元素加入的量过大时，生成的氧化物含量就会过多，会生成过量的稀土第二相，产生团聚现象。过多的氧化物颗粒存在于合金组织的晶界处，影响合金的致密度及合金的拉伸性能，降低钛合金的力学性能2224。Y 的加入在合金中生成了氧化物 Y2O3及YAl2相，加入的 Y 与氧反应后，剩余的 Y 与周围的 Al 反应得到 YAl2。当 Y 的含量较低时，YAl2的量较少，基本都是 Y2O3相;当 Y 的含量升高时，YAl2也会随之增多。图 5添加不同 Y 含量的钛合金的拉伸断口形貌Fig 5Fracture morphologies of titanium alloy with different Y contents4结论(1)当稀土元素 Y 的含量为 03%时，TC4 钛合金的硬度值最高;当稀土元素 Y 含量大于03%时，钛合金的硬度逐渐降低，当 Y 元素含量达到 09%时，钛合金的硬度降至不含稀土元素钛合金的硬度值以下。(2)当含量为 06%时，合金的拉伸性能及致密度最高;当 Y 元素的含量大于 06%时，TC4 钛合金的拉伸性能及致密度逐渐降低。(3)在钛合金中加入稀土元素 Y 后，钛合金的晶粒尺寸迅速降低，而随着稀土元素 Y 含量的增加，钛合金的晶粒尺寸也随之增大，当加入的稀土元素 Y 含量为 09%时，钛合金的晶粒尺寸达到 407 m，比不含稀土元素 Y 钛合金的减小了 3824%。(4)当 TC4 钛合金中稀土元素 Y 的添加量为 06%时，钛合金的断口形貌为韧窝断裂。64第 38 卷第 1 期王济生:稀土元素 Y 对钛合金 TC4 力学性能的影响(5)综合考虑，当 TC4 钛合金中稀土元素 Y的含量为 06%时，TC4 钛合金的力学性能最佳。参考文献:1 刘延斌，刘咏，谌炎辉，等 稀土元素 La 对粉末冶金钛合金锻态组织与力学性能的影响 J 粉末冶金材料科学与工程，2014，19(2):223229 2 汤海芳，赵永庆，洪权，等 稀土元素对高温钛合金组织和性能的影响 J 钛工业进展，2010，27(1):1621 3 郝国栋，罗丽妍，苏爽月，等 钛合金双极微弧氧化膜层抗高温氧化性能J 当代化工，2020，49(11):23832387 4 田永武，朱乐乐，李伟东，等 高温钛合金的应用及发展 J 热加工工艺，2020，49(8):1720 5 王昆昆，罗铁钢，董应虎，等 Y2O3对 Ti6Al4V合金显微组织及力学性能的影响 J 粉末冶金工业，2020，30(4):2631 6 贾宝华，刘翔，顾永强，等 稀土元素对钛合金的作用机制研究现状及展望 J 热加工工艺，2019，48(9):14 7 刘冀尧，王文焱，陈玉勇，等 添加 Nd 元素对 Ti6Al4V2Cr 组织与性能的影响 J 材料热处理学报，2017，38(7):4449 8武波涛，马雷，武运卓 稀土元素 Y 对汽车用AZ81 镁合金铸造性能的影响J 热加工工艺，2021，50(5):6264 9 张宁，林均品，王艳丽，等 合金元素 Y 对高铌TiAl 高温合金长期抗氧化性的影响 J 航空材料学报，2006，26(6):4245 10 车海亮 稀土元素对铝合金性能的影响研究J 中国设备工程，2022(5):244246 11 冯强强，董晟全，何子博，等 稀土元素 Y 和 Nd混合添加对 MgAlCa 合金组织和性能的影响 J 热加工工艺，2019，48(15):4446 12 贾宝华，刘翔，顾永强，等 Yb2O3对 Ti1100 铸态合金高温力学性能的影响J 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