金属Sc对Ti-6Al-4V合金组织演变与性能的影响
刘会群1, 易丹青1, 魏鎏英2,郭 鹰1,汪超众1
(1. 中南大学 材料科学与工程学院, 湖南 长沙, 410083;
2. School of Technology and Society, Malm University, 20506 Malm, Sweden)
摘要: 采用真空电弧熔炼技术制备了含Sc(质量分数)为0, 0.1%, 0.3%, 0.5%的4种Ti-6Al-4V合金, 并利用X射线衍射技术、 光学金相显微镜和SHIMADZU HMV硬度计对铸态合金的相组成、 等温退火后进行淬火的合金的显微组织和显微硬度进行研究。 研究结果表明: 在合金的铸态组织中存在大量的类魏氏组织, 添加金属Sc减小了魏氏组织的含量与尺寸; 经过等温退火及淬火处理后, 在合金组织中存在细针状的马氏体组织和少量的类魏氏体组织, 同时,随着退火温度的降低, 组织中针状马氏体尺寸减小, 金属Sc对合金组织起明显的细化作用; 在铸态合金中存在的相为Ti3Al, 添加金属Sc使α-Ti在低角度的衍射峰强度变弱, 在高角度的衍射峰强度变强; 添加金属Sc导致Ti-6Al-4V合金片层组织的显微硬度大幅度提高, 当Sc含量在0.1%~0.3%时, 其显微硬度最适宜; 退火态合金的显微硬度比铸态合金的显微硬度提高了很多; 金属Sc对α-Ti的固溶强化效果最明显。
关键词: Ti-6Al-4V合金; 金属Sc; 组织演变; 显微硬度
中图分类号:TG146.2+3 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)03-0380-06
Influence of Sc on microstructure evolution
and property of Ti-6Al-4V alloy
LIU Hui-qun1, YI Dan-qing1, WEI Liu-ying2,GUO Ying1,WANG Chao-zhong1
(1. School of Materials and Science Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
2. School of Technology and Society, Malm University, 20506 Malm, Sweden)
Abstract: Four kinds of Ti-6Al-4V alloys containing Sc content of 0, 0.1%, 0.3%, 0.5% were prepared by vacuum arc remelting technique respectively. By using X-ray diffraction technique and optical microscopy (OM) and SHIMADZU HMV microhardness tester, the phase of as-cast alloys, microstructure and microhardness were analyzed respectively. The results show that the microstructure of as-cast alloys exhibits the feature of Widmanst tten structure, the size and content are decreased by the addition of metal Sc; the needle-like martensitic structure and traces of Widmanst tten structure appear in the microstructure of alloy under the isothermal annealing and quenching treatment, and with the decrease of annealing temperature the grain size of needle-like martensite decreases; Sc refines the microstructure of alloy significantly. The main phase in the alloy is Ti3Al. Due to the addition of Sc, the diffraction peaks of α-Ti in lower angle regions become weaker, while the peaks in higher angle regions become stronger; the addition of Sc improves the microhardness of lamellar microstructure remarkably. The highest microhardness is obtained with a content of scandium 0.1%-0.3%. The microhardness of as-annealed alloy is higher than that of as-cast alloys. The solid solution strengthening effect of Sc on α-Ti is very evident.
Key words: Ti-6Al-4V alloy; metal Sc; microstructure evolution; microhardness
钛及其合金因其密度低、 比强度高、 耐腐蚀、 可焊等优点得到广泛应用。 在先进的航空发动机中, 应用钛有利于提高发动机的推重比, 增强飞机的机动性能[1,2]。 Ti-6Al-4V合金作为钛合金的典型代表, 其耐热性、 塑性、 韧性、 成形性、 可焊性、 耐蚀性和生物相容性均较强,强度较高, 成为钛工业中的主要合金, 其用量达全部钛量的50%[3-5]。 钛具有2种同素异晶体, 分别以α和β来表示。 钛的同素异晶转变温度为882.5 ℃, 其低温晶体α-Ti具有密排六方结构; 在882.5 ℃以上, 稳定的β-Ti晶体具有体心立方结构。 钪有2种晶型, 其同素异晶转变温度为1337 ℃。 在标准状态下, α-Sc晶体具有密排六方结构; 在1337 ℃以上, β-Sc晶体具有体心立方结构。 根据合金化理论, 形成完全固溶体的组分, 必须具有相同的结晶构造, 因此, 具有六方晶格(hcp)或体心立方晶格(bcc)的钛与钪能完全溶混, 形成连续的固溶体[6]。 研究结果表明[7-11]: 微量Sc在铝合金中有细化组织、 增强强度、 提高再结晶温度等作用。 因Sc与Al形成的Al3Sc, 与基体共格, 产生显著的共格强化作用。 添加微量Sc使Ti-48Al金属间化合物在900 ℃的高温屈服强度提高125 MPa; 在含Sc的TiAl基合金中Ti-Al-Sc三元化合物属于体心立方结构, 点阵常数a=0.984 nm, 空间群为Ia3d, 其成分为(Sc,Ti)3Al[9,10]。添加1% Bi大幅度提高了Ti-6Al-4V合金的铸造性能, 增强了其强度, 但在很大程度上降低了合金的塑性[12]。 为此, 作者就金属Sc对α+β型钛合金Ti-6Al-4V的铸态组织与退火态组织的影响进行研究。
1 实 验
采用真空电弧熔炼技术制备了Sc含(质量分数,下同)量分别为0, 0.1%, 0.3%, 0.5%的4种Ti-6Al-4V合金。 实验原料采用Ti-6Al-4V合金板材,以及Al-20%Sc中间合金和纯金属Sc(99.983%)。 利用X射线衍射技术对铸态合金的相组成进行分析。 将铸态合金分别在β相区(1050 ℃), α+β相区(900 ℃)和α相区(700 ℃)的温度下真空等温退火10 h后进行淬火(水淬)。 用光学金相显微镜对合金在不同温度退火后淬火的组织进行分析。 用SHIMADZU HMV硬度计测量合金的显微硬度, 压头类型为维氏, 压头锥角为136°, 载荷为0.098 N,加载时间为10 s, 放大倍数为400。
2 结果与分析
2.1 铸态组织与显微硬度分析
合金的铸态显微组织如图1所示。 可见, 在Ti-6Al-4V合金的铸态组织中存在大量的魏氏组织。 这是由于铸锭随炉冷却, 其冷却速度较慢, 形成了魏氏组织和沿β晶界向晶内生长的α片层簇组织[13]。 由图1(b), (d), (f)及(h)可见, 随着Sc含量增加, 在合金中α片层相的体积分数和尺寸都减小, 初生的α块体相体积分数增加, 当Sc含量为0.3%和0.5%时, 组织中存在黑色的析出物。 可见,金属Sc有细化铸态组织的作用。
由XRD分析可知(图2), 在铸态合金中存在的主要相为Ti3Al。 根据合金化原理, Sc与Ti能形成连续固溶体, 与Al能形成Al-Sc金属间化合物相。 但由于Sc含量低, 在XRD衍射图谱中, 没有观察到Al3Sc相的衍射峰。 添加金属Sc使α-Ti在低角度的衍射峰强度变弱, 高角度的衍射峰强度变强。 在添加0.1%Sc的合金衍射谱中, α-Ti在衍射峰(002)和(101)的强度减弱了很多, 并且衍射峰(100)消失, 同时衍射峰(002)的位置也向低角度方向偏移。 高角度衍射峰(103)随Sc含量减少强度减弱, 但在2θ约为77°处出现了强度随Sc 含量减少而增加的α-Ti的衍射峰。 由图1可知, 金属Sc对铸态合金的晶粒有明显的细化效果, 由于照射到金属表面的X射线有可能照射在不同大小的晶粒上, 导致衍射峰强度发生变化。
表1所示为铸态合金的显微硬度。 由于固溶强化的作用, 添加金属Sc使Ti-6Al-4V合金中片层组织的显微硬度明显提高。 当Sc含量为0.3%时, 合金片层组织的显微硬度较高, HV0.01约为513; 而当Sc含量为0.1%时,基体相的显微硬度较高, HV0.01约为446。 可见, 随着Sc含量的增加, 合金的显微硬度增加, 但不是直线增加, 当Sc含量在0.1%~0.3%时其显微硬度较高。
![]()
w(Sc)/%: (a) 0(低倍); (b) 0(高倍); (c) 0.1(低倍); (d) 0.1(高倍);
(e) 0.3(低倍); (f) 0.3(高倍); (g) 0.5(低倍); (h) 0.5(高倍)
图 1 不同Sc含量的合金铸态显微组织
Fig. 1 Microstructures of as-cast alloys with different content of Sc
![]()
w(Sc)/%: a—0; b—0.5; c—0.3; d—0.1
图 2 不同Sc含量的铸态合金X射线衍射谱
Fig. 2 XRD patterns of as-cast alloys
表 1 铸态合金的显微硬度值
Table 1 Microhardness of as-cast alloys
2.2 Sc对合金组织演变的影响
在α相区、 α+β相区以及β相区的温度下等温退火后淬火的合金显微组织如图3所示。 可见合金由β→α的组织演变。 由图3(a)~(c)可见, 随着退火温度的降低, 块状α相的体积分数增加, 块状α相具有六方结构[13]。 图3(b)所示的组织特征为典型的双相组织, 即被α马氏体组织包围的块状α相和β基体。 与图1所示的合金的铸态组织相比, 在等温退火后淬火的合金组织中, 由于采用水淬的冷却方式, 所以,在组织中存在细针状的α马氏体组织和少量的类魏氏体组织[14]。 同时,随着退火温度的降低, 其针状马氏体尺寸减小。 由图3(d)~(f)、 (g)~(i)以及(j)~(l)可看出Sc含量为0.5%, 0.3%和0.1%的3个合金的组织演变, 与图3(a)~(c)相比, 组织演变规律相似, 但在添加Sc的合金中,块状α相的体积分数很小, 有些甚至不存在块状α相, 与铸态合金的相反。 纵向对比图3中各合金的金相组织可知, 随着Sc含量的增加, 合金组织细化很明显, 在组织中不存在块状α相, 均由针状马氏体和β基体组成, 在β晶界存在沿晶界向晶内生长的α片层组织。 金属Sc对合金组织的影响将反映到合金的性能变化上[14-16]。
![]()
(a) Ti-6Al-4V, 1050 ℃(β相区); (b) Ti-6Al-4V, 900 ℃(α+β相区); (c) Ti-6Al-4V, 700 ℃(α相区);
(d) Ti-6Al-4V-0.1Sc, 1050 ℃(β相区); (e) Ti-6Al-4V-0.1Sc, 900 ℃(α+β相区); (f) Ti-6Al-4V-0.1Sc, 700 ℃(α相区);
(g) Ti-6Al-4V-0.3Sc, 1050 ℃(β相区); (h) Ti-6Al-4V-0.3Sc, 900 ℃(α+β相区); (i) Ti-6Al-4V-0.3Sc, 700 ℃(α相区)
图 3 不同温度等温退火及淬火的合金显微组织
Fig. 3 Microstructures of alloys isothermally annealed and quenched
at different temperatures
2.3 Sc对不同温度等温退火后淬火的合金显微硬度的影响
金属Sc对不同温度等温退火态合金显微硬度的影响曲线图4所示。可以看出, 退火态合金的显微硬度比铸态合金的显微硬度提高了很多。 添加金属Sc对Ti-6Al-4V合金的显微硬度影响很大。 不同Sc含量对在不同相区的温度下退火后淬火的合金显微硬度的影响程度是不同的, 这可能是金属Sc对不同相的固溶强化效果不同所致。 合金在β相区等温退火并进行淬火后, 添加金属Sc降低了Ti-6Al-4V合金的显微硬度,Sc含量的影响程度由大到小依次为: 0, 0.1%, 0.3%, 0.5%。 合金在α+β相区等温退火后, 添加金属Sc提高了合金的显微硬度, Sc含量的影响程度由大到小依次为:0.1%, 0.3%, 0.5%, 0。 合金在α相区退火之后, 由于固溶强化作用, 金属Sc对合金的显微硬度仍有提高, 只是其影响程度有所变化,由大到小依次为: 0.5%, 0.1%, 0.3%, 0, 但在此相区温度下退火后添加0.5%Sc的合金显微硬度提高了很多, HV0.01约为690。 这可能是由于增加了Sc含量而且退火温度处于α相区的温度。 可见,Sc对α相的固溶强化效果非常明显。
![]()
1—Ti-6Al-4V; 2—Ti-6Al-4V-0.1Sc;
3—Ti-6Al-4V-0.3Sc; 4—Ti-6Al-4V-0.5Sc
图 4 Sc对不同温度等温退火态合金显微硬度的影响
Fig. 4 Influence of Sc on microhardness of
alloys isothermal annealed at
different temperatures
3 结 论
a. 在合金的铸态组织中存在着大量的类魏氏组织, 随着Sc含量的增加, 合金中片层状的魏氏组织减少且尺寸减小, 初生的α块体体积分数增加; 与合金的铸态组织相比, 在等温退火后淬火的合金组织中存在细针状的α马氏体组织。 随着退火温度的降低和Sc含量的增加, 组织中针状马氏体尺寸减小, 块状α相减少, 主要由针状马氏体和β基体组成, 在β晶界存在沿晶界向晶内生长的α片层组织。 金属Sc明显细化了铸态以及退火后淬火态的合金组织。
b. 在铸态合金中存在的主要相为Ti3Al, 添加金属Sc使α-Ti在低角度的衍射峰强度变弱, 高角度的衍射峰强度变强。 铸态合金晶粒大小的差异可能是造成衍射峰强度变化的原因。
c. 由于固溶强化作用, 添加金属Sc使Ti-6Al-4V合金中片层组织的显微硬度大幅度提高。 当Sc含量为0.3%时, 合金片层组织的显微硬度较高, 约为513; 而当Sc含量为0.1%时,基体相的显微硬度较高, 约为446; 当Sc含量在0.1%~0.3%时,其显微硬度为最佳。 等温退火后淬火的合金显微硬度比铸态合金的显微硬度提高了很多。 由于金属Sc对不同相的固溶强化效果不同, 所以,在不同的退火温度下, 不同的Sc含量对合金的显微硬度的影响不同, 金属Sc对α相的强化效果最明显。
参考文献:
[1]Wood R A, Favor R J. 钛合金手册[M]. 刘静安, 吴煌良, 姚毅中, 译. 重庆: 科学技术文献出版社重庆分社, 1982.
Wood R A, Favor R J. Titanium alloys handbook[M]. LIU Jing-an, WU Huang-liang, YAO Yi-zhong, translate. Chongqing: Chongqing Branch Press of Science and Technology Literature Press, 1982.
[2]赵永庆. 高温钛合金研究[J]. 钛工业进展, 2001(1): 33-39.
ZHAO Yong-qing. Research of high-temperature titanium alloys[J]. Advancement of Titanium Industry, 2001(1) : 33-39.
[3]Schutz R W, Watkins H B. Recent developments in titanium alloy application in energy industry[J]. Materials Science and Engineering, 1998, A(243): 305-315.
[4]Boyer R R. An overview on the use of titanium in the aerospace industry[J]. Materials Science and Engineering, 1996, A(213): 103-114.
[5]高敬, 姚丽. 国内外钛合金研究发展动态[J]. 世界有色金属, 2001(2): 4-7.
GAO Jing, YAO Li. Research development of titanium alloys in China and abroad[J]. Nonferrous Metal in the World, 2001(2): 4-7.
[6]易宪武, 黄春辉, 王慰, 等. 钪稀土元素[M]. 北京: 科学出版社, 1998.
YI Xian-wu, HUANG Chun-hui, WANG Wei, et al. Rare earth element scandium[M]. Beijing: Science Press, 1998.
[7]Davydov V G, Rostova T G, Zakharov V V, et al. Scientific principles of making an alloying addition of scandium to aluminium alloys[J]. Materials Science and Engineering, 2000, A(280): 30-36.
[8]Christian B F, Albert R K, Davod C D, et al. Microstructure and mechanical properties of a 5754 aluminum alloy modified by Sc and Zr additions[J]. Materials Science and Engineering, 2002, A(338): 8-16.
[9]Kending K L, Miracle D B. Strengthening mechanisms of an Al-Mg-Sc-Zr alloy[J]. Acta Materialia, 2002, 50(16): 4165-4175.
[10]张德尧. Al-Zn-Mg-Sc系热强可焊铝合金[J]. 稀有金属快报, 2001(1): 11-14.
ZHANG De-rao. Thermal strength and weldable Al-Zn-Mg-Sc aluminium alloys[J]. Rare Metal Research Bulletin, 2001(1): 11-14.
[11]余琨, 李松瑞, 黎文献, 等. 微量Sc和Zr对2618铝合金再结晶行为的影响[J]. 中国有色金属学报, 1999, 9(4): 709-713.
YU Kun, LI Song-rui, LI Wen-xian, et al. Effect of trace Sc and Zr on recrystallization behavior of 2618 alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 1999, 9(4): 709-713.
[12]Cheng W W, Chern-Lin J H, Ju C P. Bismuth effect on castability and mechanical properties of Ti-6Al-4V alloy cast in copper mold[J]. Materials Letters, 2003, 57(16-17): 2591-2596.
[13]Ahmed T, Rack H J. Phase transformations during cooling in α+β titanium alloys[J]. Materials Science and Engineering, 1998, A(243): 206-211.
[14]Ding R, Guo Z X, Wilson A. Microstructural evolution of a Ti-6Al-4V alloy during thermomechanical processing[J]. Materials Science and Engineering, 2002, A(327): 233-245.
[15]Sauer C, Lütjering G. Influence of α layers at β grain boundaries on mechanical properties of Ti-alloys[J]. Materials Science and Engineering, 2001, A(319-321): 393-397.
[16]Flower H M. Microstructural development in relation to hot working of titanium alloys[J]. Materials Science and Technology, 1990, 6(11): 1082-1092.
收稿日期:2004 -08 -23
基金项目:中瑞政府间科技合作项目(2002)
作者简介:易丹青(1954-),男,湖南湘乡人,教授,博士生导师,从事高温材料、轻质金属材料、硬质合金的研究
论文联系人: 刘会群,男,博士研究生;电话:0731-8830263(O); E-mail: lhq_234@163.com
