简介概要

铸造TiAl合金定向层片组织持久性能的试验研究

来源期刊：稀有金属2012年第5期

论文作者：骆晨朱春雷李海昭柳学全

文章页码：700 - 705

关键词：铸造TiAl合金;定向层片组织;持久性能;微合金化;

摘要：评价了铸造Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr合金定向层片组织在（750～800）℃/（220～350）MPa不同条件下的持久性能,并分别探索了0.2%Zr和0.1%Hf（原子分数）微合金化对其持久性能的影响。结果表明:提高温度和增加应力均使铸造TiAl合金定向层片组织的持久寿命降低,其中试验温度对持久寿命的影响幅度相对更大,在相同应力下（300 MPa）,当温度由750℃提高到800℃时,持久寿命降低超过100 h。微量Zr,Hf对铸造TiAl合金层片组织的择优取向特征均没有影响,对合金的持久寿命改善作用与温度、应力密切相关,例如800℃/220 MPa较低应力下添加微量Zr使合金的持久寿命由150 h提高到320 h,然而在750℃/350 MPa,800℃/260 MPa,300 MPa等较高应力载荷下,微量Zr,Hf的作用明显减小。由试验应力与Larson-Miller参数的关系可发现,与微量Hf相比,微量Zr在不同应力条件下对合金提高持久强度的作用更大。另外,本实验条件下TiAl合金定向层片组织持久塑性均大于10%,无蠕变脆化倾向;添加微量Zr,Hf可使合金在不同温度和应力条件下的持久塑性保持在20%～40%之间,较基础合金更稳定。

稀有金属 2012,36(05),700-705

铸造TiAl合金定向层片组织持久性能的试验研究

骆晨朱春雷李海昭柳学全

钢铁研究总院高温材料研究所

摘要：

评价了铸造Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr合金定向层片组织在(750～800)℃/(220～350)MPa不同条件下的持久性能,并分别探索了0.2%Zr和0.1%Hf(原子分数)微合金化对其持久性能的影响。结果表明:提高温度和增加应力均使铸造TiAl合金定向层片组织的持久寿命降低,其中试验温度对持久寿命的影响幅度相对更大,在相同应力下(300 MPa),当温度由750℃提高到800℃时,持久寿命降低超过100 h。微量Zr,Hf对铸造TiAl合金层片组织的择优取向特征均没有影响,对合金的持久寿命改善作用与温度、应力密切相关,例如800℃/220 MPa较低应力下添加微量Zr使合金的持久寿命由150 h提高到320 h,然而在750℃/350 MPa,800℃/260 MPa,300 MPa等较高应力载荷下,微量Zr,Hf的作用明显减小。由试验应力与Larson-Miller参数的关系可发现,与微量Hf相比,微量Zr在不同应力条件下对合金提高持久强度的作用更大。另外,本实验条件下TiAl合金定向层片组织持久塑性均大于10%,无蠕变脆化倾向;添加微量Zr,Hf可使合金在不同温度和应力条件下的持久塑性保持在20%～40%之间,较基础合金更稳定。

关键词：

铸造TiAl合金;定向层片组织;持久性能;微合金化;

中图分类号： TG146.23

作者简介：骆晨(1987-),女,黑龙江佳木斯人,硕士研究生;研究方向:铸造TiAl合金(E-mail:luochen_happy@126.com);

收稿日期：2012-02-08

基金：国家科技部973计划资助项目(2011CB605503);

Creep Rupture Properties of Preferred Orientation Lamellar Microstructure of Cast TiAl Alloys

Abstract：

The creep rupture properties of cast Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr alloys with preferred orientation lamellar microstructure,were investigated under(220～350) MPa at(750～800) ℃,and the effects of 0.2% zirconium and 0.1% hafnium(atom fraction) on creep rupture properties of cast TiAl alloy were studied respectively.The results showed that the creep rupture life of cast TiAl alloys with this microstructure were reduced with increasing the temperature and stress,of which the temperature relatively had a greater influence,at the same stress(300 MPa),when the temperature went up from 750 to 800 ℃,the rupture life reduced more than 100 h.Adding minor Zr,Hf did not change the characteristic of preferred orientation lamellar microstructure of cast TiAl alloy,and the effect on the creep rupture life was relative with temperature and the stress intimately.At low stress such as 800 ℃/220 MPa,adding Zr increased the rupture life from 150 to 320 h,while the effect became small obviously at high stress such as 750 ℃/350 MPa,800 ℃/260 MPa,300 MPa.It was found that adding minor Zr was more beneficial to the creep rupture strength of cast TiAl alloy than minor Hf through the relationship between tested stress and Larson-Miller parameters.In addition,rupture ductility of cast TiAl alloys with preferred orientation lamellar microstructure were more than 10%,which indicated that no creep embrittlement tendency existed in this cast TiAl alloy;adding minor Zr,Hf could keep the rupture ductility between 20% ～40% under different temperatures and stress conditions.

Keyword：

cast TiAl alloy;preferred orientation lamellar microstructure;creep rupture properties;minor Zr,Hf;

Received： 2012-02-08

低密度的TiAl金属间化合物合金具有良好的高温强度、抗蠕变、抗氧化等性能优点, 目前最受关注且已一定程度上取得成功的应用包括航空发动机低压涡轮叶片铸件和整体铸造的车用增压器涡轮 ^[1,2] 。研究发现, 在适当的工艺条件下, 铸造Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr合金中可以形成一种γ-TiAl/α₂-Ti₃Al层片取向一致、即层片均平行于铸模表面排列的微观组织 ^[3] 。这种定向层片组织在沿层片方向具有优异的拉伸强度和塑性, 这利于提高涡轮叶片部分对离心载荷的承载能力 ^[4] 。持久强度是衡量结构材料在高温下使用安全可靠程度的重要指标之一, 因而, 有必要对这种铸造TiAl合金定向层片的持久性能进行系统评价, 并研究探索进一步改进的途径。

已有研究表明, 改善TiAl合金持久性能的有效途径主要是形成全层片组织 ^[5] 和添加高模量、高熔点的过渡金属 ^[6,7,8] 。 Zr, Hf与Ti属同一副族, 具有相同的晶体结构, 在TiAl合金中可以低错配度置换Ti原子, 而Zr, Hf元素的弹性模量和熔点均明显高于Ti ^[9,10] 。添加微量Zr或Hf元素合金化有可能在不改变铸造TiAl合金定向层片组织的择优取向特征的前提下, 进一步提高其持久性能。

本研究首先测试铸造Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr (%, 原子分数, 以下均同)合金定向层片组织在750～800 ℃/220～ 350 MPa条件下的持久寿命, 进而实验评价Zr或Hf微合金化对该合金持久性能的作用, 并通过组织观察初步分析微合金化改善TiAl合金定向层片组织持久性能的机制。

1 实验

实验合金为基础成分的Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr(简称TiAl)和微合金化的Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr-0.2Zr(简称TiAl-Zr)及Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr-0.1Hf (简称TiAl-Hf)。采用真空感应悬浮炉熔炼, 浇入固定模铸成Φ 40 mm圆锭, 经1270 ℃/200 MPa/2.5 h热等静压处理后, 用线切割方法沿轴向切取试棒、机加工成标距Φ 5 mm×25 mm的持久试样, 在大气中测试拉伸持久寿命, 实验制度见表1。对铸锭和试样的横截面进行组织观察, 金相试样机械抛光后用2%HF+10%HNO₃+88%H₂O(%, 体积分数)溶液侵蚀, 光学显微镜下观察并测量统计定向层片组织中等轴状杂晶的体积分数, JSM-6480-LV扫描电镜背散射电子像下测量统计其层片间距。

表1 持久试验制度

Table 1 Rupture test conditions

Temperature/℃	Stress/MPa
750	300	330	350
800	220	240	260	300

2 结果与讨论

观察发现, 3种TiAl合金的铸态宏观组织均是由铸锭边缘向中心整齐对长的柱状晶构成 (图1), 微观组织也均为γ/α₂层片呈年轮状垂直于宏观柱状晶排列(图2), 则沿轴向取样进行的拉伸持久试验相当于测试定向层片组织高温下承受沿层片方向载荷的持久性能。这种定向层片组织的形成机制是, Ti/Al原子比在一定数值范围的TiAl合金凝固时α相柱状晶是以其 [ 1] 晶向为择优生长方向的, 在随后的冷却过程中通过α→α+γ固态相变形成层片结构, 其中γ相是在α相中沿(0001)α惯习面、按{111}γ//(0001)α取向关系析出的, 因而所形成的层片界面垂直于原始α相中的 [ 1] 晶向, 即柱状晶生长方向。 3种TiAl合金具有基本一致的铸态组织表明, 添加0.2Zr或0.1Hf均不会改变铸造Ti-47.5Al 2.5V-1.0Cr合金可形成定向层片组织的特征。

基础成分和添加Hf, Zr的TiAl合金经热等静压处理后也均为定向层片组织, 层片间距差别不大, 分别为1.16, 1.12和1.18 μm。 3种TiAl合金组织中均见少量尺寸在20～50 μm的等轴γ晶粒析出(图3), 这些等轴晶粒相当于定向高温合金中的杂晶, 对合金的高温力学性能有不利的影响 ^[11] 。定量金相统计的结果是, 基础合金中等轴晶粒的体积分数为6%, 含Zr合金中等轴晶粒的体积分数是3%, 而含Hf合金中等轴晶粒的体积分数达7%。

图1 3种合金铸造宏观组织

Fig.1 Macrostructures of as-cast (a) TiAl; (b) TiAl-Zr; (c) TiAl-Hf

图2 3种合金铸态组织

Fig.2 Microstructures of as-cast (a) TiAl; (b) TiAl-Zr; (c) TiAl-Hf

3种TiAl合金在750 ℃下的持久寿命和持久塑性测试结果如图4所示。基础合金的持久寿命在300 MPa应力下尚在100 h以上, 当应力提高到330 MPa时持久寿命大幅减少, 进一步增加载荷至350 MPa时持久寿命基本未变。含Hf合金在300 MPa下的持久寿命明显高于基础合金, 而当载荷为330 MPa或更高时的持久寿命与基础合金相当或更低些。这表明, 在较低应力下, 微量Hf延长定向层片组织持久寿命的作用更明显些, 而应力提高后作用消失了。含Zr合金在低于330 MPa应力下的持久寿命都高于基础合金, 当载荷为350 MPa时的持久寿命却也与基础合金相当了。可见, 与微量Hf相比, 微量Zr在较高应力下改善定向层片组织持久寿命的作用更为显著, 即可提高TiAl合金定向层片组织的持久强度。另外, 3种TiAl合金的持久塑性均在10%以上, 说明TiAl合金定向层片组织在750 ℃没有蠕变脆化倾向, 有助于避免部件在高温承载时出现缺口敏感问题; 而添加微量Zr或Hf合金在各应力水平下的持久塑性更稳定些, 则反映出其对TiAl合金定向层片组织的抗蠕变性能也可能会有改善作用。

3种TiAl合金在800 ℃下的持久寿命和持久塑性测试结果如图5所示。从220 MPa开始, 每增加20 MPa载荷, 基础合金的持久寿命减少约50 h, 当载荷达到300 MPa时, 持久寿命已不足20 h, 远低于其在750 ℃/300 MPa下125 h持久寿命。可见, 相同应力条件下, 温度对TiAl合金的持久性能影响显著。含Zr合金不同应力条件下均高于基础合金, 其中220 MPa下持久寿命大于基础合金持久寿命的2倍, 随着应力的增加, 含Zr合金的持久寿命优势逐渐递减。含Hf合金在220 MPa下的持久寿命是基础合金持久寿命近2倍, 而当载荷增加时, 含Hf合金的持久寿命优势很快减小, 同样表明了微量Hf只有在低应力条件时才能延长定向层片组织持久寿命。整体上含Zr合金的持久寿命均大于含Hf合金, 说明在800 ℃下微量Zr改善定向层片组织寿命的作用仍高于微量Hf。另外, 3种合金800 ℃不同应力下的持久寿命基本保持在20%～40%, 与750 ℃下的结果相近。

综上所述, 微量Zr, Hf有利于提高铸造TiAl合金的高温持久性能, 但是在不同温度和不同应力条件下的作用程度有较大差异。通常可用Larson-Miller参数, 把温度和时间结合成为一个参数来表征合金的持久性能 ^[12] 。将3个研究合金在750, 800 ℃持久断裂数据代入的Larson-Miller(L-M)关系P=T(lgtf+20)×10^-3, 其中P为L-M的参数, T为绝对稳定, tf为持久寿命。由拟合曲线图(图6)可见, 在本研究实验条件下, 添加微量Hf, Zr对TiAl合金定向层片组织的持久性能均有改善作用, 而添加微量Zr提高持久强度的作用相对更大。

组织观察已发现加Zr合金定向层片组织中等轴状杂晶体积分数较少(图3), 即添加微量Zr减少了热等静压处理中层片组织的分解。根据初始层片组织中的等轴γ晶粒对持久性能不利的研究结果 ^[13] , 可以在一定程度上说明微量Zr改善定向层片组织持久性能的作用。但含Hf合金初始组织中等轴晶粒较多, 在较低应力下仍具有较高的持久寿命, 尚不能得到合理的解释。解剖持久试验后的试样进行组织观察发现, 如图7所示, 基础合金750 ℃/300 MPa/120 h持久断裂后组织中的层片已发生了明显的弯曲, 并伴有层片组织球化分解;而含Zr合金同样温度、应力条件持久拉伸后125 h后层片组织未出现层片分解现象。研究表明, TiAl合金层片组织的稳定性是影响其高温蠕变变形行为的主要因素之一 ^[14,15] 。添加微量Zr有利于保持TiAl合金定向层片组织的稳定性, 是其改善TiAl合金定向层片组织持久性能的机制之一。但这还不能解释微量元素在较高应力下的作用为何减弱或消失。因而, 添加微量Zr, Hf改善TiAl合金定向层片组织持久性能的机制有待进一步研究。