文章编号：1004-0609(2013)S1-s0120-05

β稳定元素Mo对600 ℃高温钛合金组织和性能的影响

魏寿庸¹，石卫民¹，郭佳林¹，王鼎春¹，王清江²，朱绍祥²，刘建荣²，陈志勇²

(1. 宝钛集团有限公司，宝鸡 721014；

2. 中国科学院 金属研究所，沈阳 110016)

摘  要：探索β稳定元素Mo对600 ℃高温钛合金组织和性能的影响。结果表明，加入一定量β稳定元素Mo的Ti60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。但过量的Mo会在β_T内偏聚，使得Al更多地固溶于α相中，影响合金工艺塑性和热稳定等性能。不含Mo的Ti60合金因得不到复合强化，合金的室温和600 ℃高温拉伸强度低。

关键词：Ti60合金；高温钛合金；组织；性能；钼

中图分类号：TG113.1　　     文献标志码：A

Effect of β stabilized element Mo on microstructure and mechanical properties of high temperature titanium alloy at 600 ℃

WEI Shou-yong¹, SHI Wei-min¹, GUO Jia-lin¹, WANG Ding-chun¹, WANG Qing-jiang², ZHU Shao-xiang², LIU Jian-rong², CHEN Zhi-yong²

(1. Baoji Titanium Industry Co., Ltd., Baoji 721014, China;

2. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

Abstract: The effect of β stabilized element Mo on the microstructure and mechanical properties of Ti60 was discussed. The results show that high temperature titanium alloy with an appropriate amount of Mo has excellent comprehensive properties such as good hot strength, ductility and thermal stability. Due to clustering in β_T excessive addition of Mo has bad influence on the alloy’s ductility and thermalstability.

Key words: Ti60 alloy; high temperature titanium alloy; microstructure; property; Mo

钛合金的比强度高、热强性和耐蚀性能好，是航空航天的关键结构材料，它作为高性能航空航天结构材料对于降低飞行器结构质量和提高结构效率、服役可靠性及延长寿命具有重要的作用。高温钛合金是目前世界各国研发热点之一。当前，600 ℃高温钛合金的研发工作主要集中在Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α型合金上，其中比较典型的有美、英的IMI834、Ti-1100，俄罗斯的BT18Y，以及中国的Ti60、Ti600和TG6等合金，这些合金的主要化学成分数据如表1^[1-6]所示。

从表1可以看出，这些高温钛合金均含有足量的α稳定元素(包括Al、Sn、Zr)和一定量同晶型β稳定元素(包括Mo、Nb、Ta)以及Si。这些元素的复合强化作用，使Ti60合金成为一种集固溶强化、细晶强化和弥散强化于一身的多元复合强化近α型高温钛合金^[7]。它与其他几种合金的区别是：Ti1100和Ti600(多含0.1Y)合金成分相近，均不含有Nb、Ta；BT18Y和IMI834合金不含Ta；而仅TG6-1合金不含β稳定元素Mo。许多研究表明^[10-12]，Mo是一种强的β稳定元素，可显著地影响高温钛合金的组织和性能；该元素对在动载荷作用下合金的抗裂纹扩散阻力和塑性的贡献较锆、锡、铝大(Mo＞Zr＞Sn＞Al)；Mo同时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少。

同晶型β稳定元素Mo是近α型高温钛合金的重要合金化元素，对高温钛合金的组织和性能具有较大的影响，开展β稳定元素Mo对高温钛合金组织和性能的影响研究工作，为进一步掌握它的影响规律提供根据。

表1  世界各国600 ℃高温钛合金的化学成分^[1-6]

Table 1  Chemical composition of high temperature titanium alloy at 600 ℃ in the world^[1-6]

1  实验

实验所用材料的名义成分为Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr- 0.4Nb-0.4Ta-0.4Si-xMo(质量分数)，其中Mo含量分别为0.4%、1.0%、2.0%、3.0%。合金铸锭经锻造-精锻-轧制成d 20 mm左右的棒材，棒材轧制在α+β相区完成。棒材经如下热处理后，检测其显微组织和测试两相区热处理材料的各项力学性能，并与主成分与Ti60合金相近且不含Mo元素的TG6-1合金的性能数据进行分析比较。

热处理制度：Ⅰ((β_T-30 ℃), 2 h, AC)+(700 ℃, 2 h, AC);Ⅱ((β_T+20 ℃), 1 h, AC)+(700 ℃, 2 h, AC)。

2  结果与分析

2.1  Mo含量对合金显微组织的影响

图1和2所示为不同Mo含量合金经两种不同热处理后的显微组织对比。从图可以看出：对于在α+β相区热处理的合金，随着Mo含量增加，等轴α相的直径逐渐减小，当Mo含量大于2%时，等轴α相的等轴化程度降低，且多数由等轴状变为短棒状；随着Mo含量的增加，双态组织中等轴α_p相的体积分数逐渐减小，平均直径也逐渐减小，β_T的含量增加，β_T内部的片状次生α相也越来越细。对于在β相区热处理的合金组织中，Mo对β_T中次生α相产生影响，即随着Mo含量的升高，次生α相越来越细，由次生α相组成的α′片束也越来越细。当Mo含量达到3%时，α′片束已不明显，合金的显微组织成为接近“篮网”状了。

2.2  Mo对合金室温力学性能的影响

Mo是一种强的β稳定元素，不仅对高温钛合金的显微组织有较大的影响，而且对合金的室温力学性能的影响也十分显著。为更好地分析Mo元素的影响，将文献[6]介绍的一种成分相似而不含Mo的TG6-1合金的数据(如表2)引入进行对比。Mo对高温钛合金室温力学性能的影响见表2和图3。

可以看出，随着Mo含量的增加，室温强度指标升高，Mo含量每升高1%时，抗拉强度可提高80 MPa左右。不含Mo的TG6-1和含0.4%Mo的Ti60合金的强度也有较大的差别，TG6-1和Ti60合金棒材的室温抗拉和屈服强度分别为1 000 MPa、1 040 MPa和920 MPa、960 MPa。由于TG6-1合金棒材不含Mo，强度指标偏低，未达到600 ℃高温钛合金叶片棒材的技术要求水平。Mo含量对塑性(A，Z)的影响与强度相反，当Mo含量小于1%时，伸长率和断面收缩率变化较小，这可能与Mo在α相的溶解度有关(Mo在α相的溶解度＜1%)；当Mo含量超过1%，合金的伸长率和断面收缩率开始明显降低，当Mo含量达到3%时，伸长率和断面收缩率分别从15%和30%左右降低到10%左右。合金塑性降低的原因是随着Mo含量的增加，合金显微组织α_p相中Al含量增加，提高了α_p相的Al当量。Al当量的升高使得α_p相中α₂相析出的体积分数增加。由于α₂相为有序的脆性相，随着α₂相体积分数的增加，材料的塑性(A，Z)明显降低。

图1  不同Mo含量合金经热处理制度Ⅰ后的显微组织

Fig. 1  Microstructures of titanium alloy with different Mo contents after heating treatment scheme Ⅰ

图2  不同Mo含量合金经热处理制度Ⅱ后的显微组织

Fig. 2  Microstructures of titanium alloy with different Mo contents after heating treatment scheme Ⅱ

表2  Ti60和TG6-1合金的室温拉伸性能^[6-7]

Table 2  Tensile properties of Ti60 and TG6-1 alloys at room temperature^[6-7]

图3  Mo对Ti60合金室温拉伸性能的影响(经过热处理Ⅰ)

Fig. 3  Effect of Mo on room-temperature tensile property of Ti60 alloy after heating treatment schemeⅠ

2.3  Mo含量对合金600 ℃拉伸性能的影响

表3所列为不同Mo含量高温钛合金(TG6-1)的600 ℃拉伸性能。

从表可以看出，随着合金中Mo含量的增加，合金的600 ℃高温强度指标升高，而塑性有所增加，但不含Mo的TG6-1合金棒材的高温强度和屈服强度也略偏低。这不难看出β稳定元素Mo是一种重要的合金元素，含有一定量的β稳定元素Mo，不仅能提高合金的室温强度，而且还可改善高温钛合金的综合性能，不含Mo的合金容易造成室温和高温强度指标偏低。

2.4  Mo含量对蠕变和热稳定性的影响

Mo含量对合金蠕变和热稳定性的影响见图4。从图4可见，随着Mo含量增加，合金的热稳定性迅速降低，当Mo的含量为3%时，材料已接近脆断。这是由于试样经过600 ℃、100 h热暴露后，一方面试样表面氧化或表面富氧层降低了材料塑性；另一方面，随着Mo含量增加，α_p相中的Al当量增加，在试样热暴露过程中α₂相在α_p相中不断析出，增加了α_p相的脆性，使得材料的塑性显著下降。从图中还可以看出，当Mo含量小于1%时，合金的蠕变抗力较高，蠕变性能较佳；但当Mo含量超过1%时，随着Mo含量增加，合金的蠕变残余变形明显增大，蠕变抗力急剧降低。因此，为了保证高温钛合金的热稳定性和热强性、提高合金的综合性能，高温钛合金中Mo元素的含量应控制在适当的范围内，以不高于1.0%为佳。

表3  不同Mo含量高温钛合金TG6-1的600 ℃拉伸性能

Table 3  Tensile properties at 600 ℃of high temperature alloy TG6-1 with different Mo content

图4  Mo含量对合金蠕变和热稳定性的影响

Fig. 4  Effect of Mo content on creep property and thermal stability

综上所述，同晶型β稳定元素Mo是600 ℃高温钛合金的重要元素，它对合金的组织和性能有着显著的影响，含有一定量的Mo元素是必不可少的，适量添加β稳定元素Mo可提高和保证合金的综合性能。

3  结论

元素Mo是高温钛合金的重要强化元素之一，它显著影响高温钛合金的显微组织和性能，含有适量同晶型β稳定元素Mo的高温钛合金(Ti60)可获得优良的综合性能。但随着合金中Mo含量的增加，过量(如大于1%)的Mo会在β_T相内偏聚，使得Al更多地固溶于α相中，增加形成有序α₂的倾向，降低高温钛合金的综合性能。不含Mo的合金由于得不到复合合金化，合金的室温和高温(600 ℃)拉伸性能偏低，未能达到技术条件要求的水平。

REFERENCES

[1] SCOTT W W, BOYER R, COLLINGS E W. Materials properties handbook: Titanium alloys[M]. ASM International, 1994: 411-439.

[2] 李成功. 航空航天材料[M]. 北京: 国防工业出版社, 2002: 7-120.

LI Cheng-gong. Aerospace materials[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 2002: 7-120.

[3] 魏寿庸, 何 瑜, 王青江, 刘羽寅. 俄航空发动机用高温钛合金发展综述[J]. 航空发动机, 2005, 31(1): 52-54.

WEI Shou-yong, HE Yu, WANG Qing-jiang, LIU Yu-yin. Development of the aero-engine heat-resisting titanium alloys in Russia[J]. Avicaeroengine, 2005, 31(1): 52-54.

[4] 张喜燕, 赵永庆, 白晨光. 钛合金及应用[M]. 北京: 化工出版社, 2005: 145-151.

ZHANG Xi-yan, ZHAO Yong-qing, BAI Chen-guang. Titanium alloy and application[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2005: 145-151.

[5] 赵永庆. 高温钛合金研究[J]. 钛工业进展, 2001, 18(1): 33-39.

ZHAO Yong-qing. Study of high temperature titanium alloys[J]. Titanium Industry Progress, 2001, 18(1): 33-39.

[6] 蔡建明, 李臻熙, 黄 旭, 李四清, 郝孟一, 曹春晓. 一种高蠕变抗力的高温钛合金: 中国, 200510068116.x[P]. 2006-05-17.

[7] 魏寿庸, 石卫民, 王鼎春, 王清江, 陈志勇, 刘建荣. 600 ℃高温钛合金(Ti60)的组织与性能[J]. 中国有色金属学报, 2010, 20(S1): s801-s806.

WEI Shou-yong, SHI Wei-min, WANG Ding-chun, CHEN Zhi-yong, LIU Jian-rong. Microstructure and mechanical properties of high temperature titanium alloy Ti60 at 600 ℃[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010, 20(S1): s801-s806.

[8] 石卫民, 王青江, 刘建荣, 魏寿庸, 李献民, 王鼎春. Ti60高温钛合金环材组织与性能的研究[J]. 钛工业进展, 2010, 27(1): 32-34.

SHI Wei-min, WANG Qing-jiang, LIU Jian-rong, WEI Shou-yong, LI Xian-min, WANG Ding-chun. Microstructure and mechanical properties of Ti60 alloy ring material[J]. Titanium Industry Progress, 2010, 27(1): 32-34.

[9] 王宝善, 贾蔚菊, 渠维猛, 俞汉清, 周义刚, 曾卫东, 王青江. 锻造工艺对Ti60合金镦饼组织和性能影响[J].钛工业进展, 2011, 28(1): 8-10.

WANG Bao-shan, JIA Wei-ju, QU Wei-meng, YU Han-qing, ZHOU Yi-gang, ZENG Wei-dong, WANG Qing-jiang. Influence of forging processes on microstructure and mechanical properties of Ti60 alloy[J]. Titanium Industry Progress, 2011, 28(1): 8-10.

[10] 卢金文, 赵永庆, 葛 鹏, 周 伟. 合金元素Mo对钛合金相析出行为的影响[J]. 钛工业进展, 2012, 29(2): 10-13.

LU Jin-wen, ZHAO Yong-qing, GE Peng, ZHOU Wei. Influence of Mo on the precipitation behavior of titanium alloy phase[J]. Titanium Industry Progress, 2012, 29(2): 10-13.

[11] 麻西群, 孙巧艳, 曹伟产, 井晓天, 于振涛. α钛合金在室温和低温的冲击韧性[J]. 稀有金属快报, 2006, 26(5): 18-21.

MA Xi-qun, SUN Qiao-yan, CAO Wei-chan, JING Xiao-tian, YU Zhen-tao. Research on α-titanium alloys under impact load at 293 K and cryogenics 77 K[J]. Rare Metals Letters, 2006, 26(5): 18-21.

[12] 张久来. 添加少量β稳定元素对钛室温拉伸性能影响[J]. 稀有金属, 1997, 21: 48-52.

ZHANG Jiu-lai. Effect of little β stablize element on room-temperature tensile property of titanium[J]. Rare Metals, 1997, 21: 48-52.

(编辑  袁赛前)

收稿日期：2013-07-28；修订日期：2013-10-10

通信作者：魏寿庸，教授级高工；电话：0917-3382642；E-mail: kissage@163.com