稀有金属 2015,39(06),498-503 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2015.06.004
Fe元素对Ti-45Al合金铸态组织及硬度的影响
杨慧敏 骆良顺 宋美慧 齐海群 王春艳 杨闯
黑龙江工程学院材料与化学工程学院
哈尔滨工业大学材料科学与工程学院
黑龙江省科学院高技术研究院
摘 要:
利用非自耗真空电弧熔炼炉获得了Ti-45Al-xFe合金钮扣锭,并利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和洛氏硬度仪研究了Fe含量的变化对Ti-45Al-xFe合金铸态组织及硬度的影响规律。结果表明:随着Fe含量的增加,Ti-45Al-xFe合金的显微组织演化过程依次经历了如下阶段:具有四重对称的树枝晶→具有四重对称的树枝晶+枝晶间较小的γ相+少量的B2相→具有六重对称的树枝晶+板条状的γ相+大量的B2相,而且在Ti-45Al-xFe合金中B2相的析出量也随之增加。另外,随着Fe含量的增加,Ti-45Al-xFe合金中的凝固初生相由β相向α相演化。通过对Ti-45Al-xFe合金进行硬度试验发现,其硬度拟合曲线呈现先降低后增加的变化趋势。这主要是由于Ti-45Al-xFe合金中B2相的大量析出及其显微组织形态的变化所致,当Fe含量大于5%(原子分数)时,Ti-45Al-xFe合金的显微组织中的B2相的形态发生了明显的变化,并且该B2相的内部呈现蜂窝形状。因此,由于该B2相的组织形态导致了Ti-45Al-xFe合金的硬度值增加。
关键词:
Ti-45Al合金;合金化;Fe元素;铸态组织;硬度;
中图分类号: TG146.23
收稿日期:2013-12-03
Microstructure and Hardness of As-Cast Ti-45Al Alloy with Different Fe Contents
Yang Huimin Luo Liangshun Song Meihui Qi Haiqun Wang Chunyan Yang Chuang
School of Material and Chemical Engineering,Heilongjiang Institute of Technology
School of Materials Science and Engineering,Harbin Institute of Technology
High-Tech Institute,Heilongjiang Provincial Academy of Sciences
Abstract:
The button ingots of Ti-45Al-xFe alloy were obtained using a non-consumable electric arc melting furnace. The effect of Fe contents on the microstructure and hardness of the as-cast alloys was investigated by optical microscope( OM),scanning electron microscope( SEM) and Rockwell hardness tester. The results showed that the microstructural evolution of Ti-45Al-xFe alloys experienced the following stages in turn: dendrite morphology with quadruple symmetric→dendrite morphology with quadruple symmetric,smaller interdendritic γ phases and a small amount of B2 phases→dendrites morphology with a six fold symmetric,lath shaped gamma phases and a mass of B2 phases. The precipitation of B2 phase increased in Ti-45Al-xFe alloy. In addition,with the increase of Fe content,the primary phase transformed from β phase to α phase during the solidification process of Ti-45Al-xFe alloys. As displayed by the hardness analysis,the hardness fitting curve of Ti-45Al-xFe alloys firstly decreased and then increased,which was mainly due to that large amounts of B2 phases precipitated and the microstructure changed. When Fe content was 5%( atom fraction),the morphology of B2 phase had a remarkable change. It transformed to honeycomb morphology,which induced an increase in the hardness of Ti-45Al-xFe alloy.
Keyword:
Ti-45Al alloy; alloying method; Fe element; casting microstructure; hardness;
Received: 2013-12-03
随着航空航天事业的突飞猛进,对具有高比强度、高比模量、较好的高温性能的高温结构材料的要求日益提高。在众多高温结构材料中,Ti Al合金以其低密度、高比强度和优异的高温性能等优点已成为一种极具竞争潜力的高温结构材料之一[1,2,3,4]。
然而,由于Ti Al合金具有较差的室温塑性和断裂韧性以及较差的充型能力等缺点,极大地限制了Ti Al合金的工程应用[5,6]。有研究表明[7],β相稳定元素的加入不仅可以显著细化Ti Al合金的铸态组织,而且对其综合力学性能的改善也起到了积极的作用。在众多β相稳定元素中,Fe元素是最强的β相稳定元素。而且,Fe元素的加入可以显著地提高Ti Al合金的流动性且降低其热裂敏感性[8,9,10,11]。由此可见,Fe元素的加入对于提高Ti Al合金的综合力学性能及提高其充型能力都具有十分重要的工程应用价值。此外,近几十年的研究表明[12,13,14],对于Ti Al基合金而言,具有定向生长的柱状晶组织比通过普通铸造工艺获得的等轴晶组织具有更好的单向力学性能。
综上所述,深入研究Fe元素对Ti Al合金柱状晶组织的影响规律,对于Ti Al基合金的综合力学性能的改善及其工程应用都具有十分重要的意义。正基于此,本文通过研究Fe元素对Ti-45Al合金柱状晶组织的影响规律,探讨Ti-45Al-x Fe合金的组织形成机制,为Ti Al基合金的力学性能的改善及其工程应用奠定一定的实验和理论基础。
1实验
实验所用Ti Al基合金的名义成分为Ti-45Alx Fe(x=0,0.1,0.3,0.5,0.7,0.9,1.1,3.0,5.0,7.0,9.0)合金(%,原子分数,下同)。熔配合金所用原材料为特零级海绵钛、纯度为99.999%的铝粒和纯度为99.900%的铁粉。母合金的制备在高真空多功能非自耗电弧熔炼炉中进行,合金锭约为30 g。为了确保Ti Al基合金钮扣锭的成分均匀和在相同的熔炼条件下制备试样,每个合金锭要至少翻转重熔3次以上且每个试样的熔炼温度、熔炼时间和冷却条件是相同的。
用电火花线切割机将钮扣锭沿其纵向从中间剖开,试样经砂布、水磨砂纸磨至2000#后抛光,并用HF∶HNO3∶H2O体积比为1∶1∶8的腐蚀液进行腐蚀处理后,用Olympus-BX51金相显微镜(OM)进行宏观组织的观察。用JEOL6510-A型扫描电子显微镜(SEM)进行其微观组织观察。硬度的测定是在TH-320洛氏硬度仪上进行的,在试样的纵截面上随机选取10个点测定硬度,然后取其平均值为该试样的硬度值。
2结果与讨论
2.1 Fe元素对Ti-45Al合金铸态组织的影响
图1为Ti-45Al-x Fe(x=0~9.0)合金纵截面的显微组织。由图1可知,随着Fe含量的逐渐增加其显微组织发生明显的变化,由枝晶形态逐渐向板条形态演化。
从Ti-45Al合金的显微组织(图1(a))可知,其显微组织为典型的枝晶形态,其枝晶干与一次枝晶臂相垂直,具有四重对称形态。由此可知,Ti-45Al合金其凝固初生相为β相。当Fe含量增加到5%(原子分数)时,其显微组织由较大的板条组织和枝晶组织构成(如图1(i)所示)。
通过对Ti-45Al-x Fe(x=1.1~9.0)合金的金相组织进一步放大(如图2所示)发现,随着Fe含量的增加其显微组织发生了明显的变化:由具有片层组织的枝晶演化为板条组织和枝晶组织构成的混合组织。由图2(d)和(e)可见,板条间的枝晶形态为枝晶干与一次枝晶臂成60°夹角,其枝晶形态具有六重对称形态,也就是说,该枝晶在凝固过程中其初生相为α相。
图3为Ti-45Al-x Fe(x=1.1,3.0,5.0,9.0)合金的背散射图像(BSE)。图3中共有3种衬度的相,分别为白色相、浅灰色相和深灰色相,根据背散射像的成像原理可知,白色相为含铁相,浅灰色相为(γ+α2)片层组织(图3(d)中箭头所指位置),深灰色相为γ相。由文献[15]可知,该白色相为具有三重有序结构的B2相(Fe Ti(Al)相)。随着Fe含量的增加,含铁B2相逐渐增加且片层团间的深灰色相—γ相也逐渐增加。与其金相组织(图1和2)对比可知,Fe含量大于5%的Ti-45Al-x Fe合金的金相组织中的板条状组织为γ相。
(a)x=0;(b)x=0.1;(c)x=0.3;(d)x=0.5;(e)x=0.7;(f)x=0.9;(g)x=1.1;(h)x=3.0;(i)x=5.0;(j)x=7.0;(k)x=9.0
图1 Ti-45Al-x Fe合金的显微组织Fig.1 OM images of Ti-45Al-x Fe alloys
(a)x=1.1;(b)x=3.0;(c)x=5.0;(d)x=7.0;(e)x=9.0
图2 Ti-45Al-x Fe合金显微组织Fig.2 OM images of Ti-45Al-x Fe alloys
(a)x=1.1;(b)x=3.0;(c)x=5.0;(d)x=7.0;(e)x=9.0
图3 Ti-45Al-x Fe合金的BSE像Fig.3 BSE images of Ti-45Al-x Fe alloys
由Ti-Al二元相图(如图4所示)可知,Ti-45Al合金的室温平衡凝固组织为(γ+α2)片层组织和γ相的混合组织,其凝固初生相为β相,即其枝晶形态为枝晶干与一次枝晶臂相垂直(具有四重对称),Ti-45Al合金的金相组织(图1(a))与Ti-Al二元相图符合较好。
图4 Ti-Al二元相图Fig.4 Ti-Al binary phase diagram
当Fe含量增加到5%时,其枝晶形态发生了明显的变化,由四重对称形态演化为具有六重对称的枝晶形态。这主要是由于B2相的形成温度较高(大约在1300℃)[10],因此在合金凝固过程中,在高温阶段就已经形成B2相。而B2相主要是由Ti和Fe组成的,而使得液相中Ti原子的浓度降低,相对而言,Al原子的浓度增加。也就是说,由于Fe原子的加入而使得Ti-Al二元相图向高Al方向偏移。综上,当Fe含量增加到5%时,将导致液相中Ti原子的浓度降低而Al原子浓度增加,最终使得其凝固路径发生变化,其金相组织变为板条状组织和具有六重对称的枝晶组织。其初生相随着Fe含量的增加由β相凝固向α相凝固演化。
2.2 Fe元素对Ti-45Al合金硬度的影响
图5为随着Fe含量的变化Ti-45Al-x Fe(x=0,0.1,0.3,0.5,0.7,0.9,1.1,3.0,5.0,7.0,9.0)合金的硬度变化拟合曲线。可见,整个硬度曲线呈先降低后增加的趋势。当Fe含量低于0.9%时,其硬度值随Fe含量的增加而逐渐降低。这主要是由于生成相γ相和B2相的组成、分布及形态综合作用的结果。当Fe含量低于0.9%时,在Ti-45Al-x Fe合金中生成相主要有3种(如图6所示),分别为:(α2+γ)的片层组织(浅灰色相)、γ相(深灰色相)和B2相(白色相)。其中,B2相为硬脆相而γ相软且具有较好的塑性。由于Fe含量较低,B2相的生成量相对于γ相而言较少且分布较为分散,所以Ti-45Al-x Fe合金的硬度主要取决于γ相的生成量、分布及形态。随着Fe含量的增加,尽管γ相和B2相均随之增加,但是其硬度却随着逐渐降低。
图5 Ti-45Al-x Fe合金的硬度拟合曲线Fig.5 Hardness fitting curve of Ti-45Al-x Fe alloys(x=0,0.1,0. 3,0.5,0.7,0.9,1.1,3.0,5.0,7.0,9.0)
当Fe含量大于3%时,其硬度值逐渐增加。这主要是由于以下两方面的原因:一是,Fe含量的逐渐增加导致B2相大幅度增加,由于B2相是硬脆相(如图7所示),因此使得其硬度逐渐增加;二是,随着Fe含量的增加,合金中析出大量的板条状的γ相且片层团逐渐减小,这都促进了合金硬度的提高。由图7可见,在较小的片层团周围还包裹着白色的B2相,并且在B2相内部呈蜂窝状(图7中圆圈内部所示),这也导致了硬度的提高,但是其脆性增加。
图6 Ti-45Al-0.7Fe合金的BSE像Fig.6 BSE image of Ti-45Al-0.7Fe alloy
图7 Ti-45Al-7Fe合金的BSE像Fig.7 BSE image of Ti-45Al-7Fe alloy
3结论
1.随着Fe含量的增加,Ti-45Al-x Fe(x=0,0.1,0.3,0.5,0.7,0.9,1.1,3.0,5.0,7.0,9.0)合金的显微组织演化规律依次经历了如下阶段:具有四重对称的树枝晶→具有四重对称的树枝晶+枝晶间较小的γ相+少量的B2相→具有六重对称的树枝晶+板条状的γ相+大量的B2相。
2.通过对其枝晶形态的分析发现,随着Fe含量的增加Ti-45Al-x Fe合金的凝固初生相由β相向α相演化。
3.随着Fe含量的增加,Ti-45Al-x Fe合金中的B2相的含量逐渐增加。当Fe含量大于5%时,B2相的形态发生了明显的变化,其内部呈蜂窝状。因此,增加了合金的硬度。
4.通过对Ti-45Al-x Fe(x=0,0.1,0.3,0.5,0.7,0.9,1.1,3.0,5.0,7.0,9.0)合金的硬度进行分析发现,其硬度拟合曲线呈先降低后增加的趋势。这主要是由于其显微组织发生了明显的变化所致。
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