文章编号：1004-0609(2011)11-2769-06
Er对Ti-16Al-27Nb合金组织和性能的影响
孙嫣然, 段辉平, 康 宁
(北京航空航天大学 材料科学与工程学院，北京 100191)
摘 要：采用添加稀土元素Er改善Ti-16Al-27Nb合金的力学性能，分析其对合金组织结构和性能的影响。结果表明：添加微量Er可以细化合金的晶粒，但不改变合金基体的相组成，合金均由B2、a2和O相组成；当Er含量较低时，主要以固溶形式存在于合金中；当Er含量约为0.6%(摩尔分数)时，合金中将析出面心立方结构的富Er相，并弥散分布于基体中，随着Er含量的增加，富Er相尺寸变大且沿晶界聚集，导致合金性能下降。固溶强化和弥散强化是微量Er元素改善合金性能的原因，当添加0.6% Er时，合金具有优良的塑性变形能力。
关键词：Ti-Al-Nb合金；Er；显微组织；力学性能
中图分类号：TG146.2 文献标志码：A
Effect of Er on microstructure and properties of Ti-16Al-27Nb alloy
SUN Yan-ran, DUAN Hui-ping, KANG Ning
(School of Materials Science and Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China)
Abstract: Rare earth element Er was added into Ti-16Al-27Nb alloy to improve the mechanical properties of the alloy. The effects of Er on the microstructure and properties of Ti-16Al-27Nb alloy were investigated. The results show that the grain size of the alloy can be refined by the trace addition of Er, but the main phase constituent of the alloy cannot be changed, i.e., the alloy basically consists of B2, a2 and O phases. When the content of Er additive is very low, Er will solute in the alloy while the content of Er additive is about 0.6% (mole fraction), fine Er-riched particles with face-centered cubic structure will precipitate homogeneously in the matrix. With the increase of the content of Er additive, the Er-riched phase will grow up obviously and segregate along the grain boundaries, which deteriorates the mechanical properties of the alloy. Based on the experimental results, conclusion can be drawn that solid solution strengthening and dispersion strengthening are the main mechanisms for Er element to improve the mechanical properties of the alloy. The alloy with 0.6% Er (mole fraction) shows excellent plastic deformation ability.
Key words: Ti-Al-Nb alloy; Er; microstructure; mechanical properties
Ti2AlNb合金是在Ti3Al化合物的合金化过程中发展起来的一类新型高温结构材料。为改善Ti3Al化合物的强度和塑性，通常添加β 稳定元素，如Nb、Mo、V和Ta等[1]。 印度国防冶金实验室的BANERJEE 等[2]在研究Nb 对Ti3Al合金相转变的影响时发现：当Nb含量高于12.5%(摩尔分数)时，合金中出现了平衡成分为Ti2AlNb的有序正交相，即O相，以O 相为主要组成相的Ti2AlNb基合金具有较好的综合性能。虽然晶粒粗大的O相合金塑性较差，但可通过热处理获得具有优良综合性能的O+B2双相合金。由于该合金具有优良的高温性能，在航空航天高温结构材料领域具有广阔的应用前景[3-6]。
虽然Ti2AlNb基合金的高温延展性较优、强度较高，但其室温可加工性能仍然较差，因此，改善合金的室温可加工性能成为低铝高铌Ti-Al-Nb合金研究的热点。由于Ti-Al-Nb合金的力学性能强烈依赖于其组织和成分，因此，添加合金化元素或选择适当的热处理工艺，从而获得性能优异的相结构或显微组织，是目前常用的改善合金性能的方法，如中国钢铁研究总院的ZHANG等[7]通过热处理获得了室温拉伸面缩率达33%的Ti-23A1-17Nb合金。SEUNG和SOO等[8]研究了W对Ti2AlNb 基合金显微组织及硬度的影响。结果表明，W元素可细化合金的魏氏体板条组织，改善合金的综合力学性能。李世琼等[9]研究了Ta元素对合金Ti-22Al-20Nb性能的影响，发现其屈服强度基本不变，伸长率却急剧增加。PENG等[10]研究了Ti-Al-Nb-Ta体系的显微组织及其演化机制，指出Ta能促进B2相向O相的转变。司玉锋等[11]研究了稀土元素Y对Ti-23Al-25Nb合金显微组织的影响，发现两种铸态合金均由O相组成，稀土Y以Y2O3的形式存在于合金中，使合金晶粒得到明显细化。
加入稀土元素改善合金的显微组织和细化晶粒，是一种提高合金力学性能的常见方法[12]，如在Ti-Al-Nb合金中添加适量的Y[13]或在铝合金中添加Er元素[14]可以极大地改善合金的力学性能。LUO等[15]研究发现，在Zr基非晶合金中添加少量的稀土元素Y和Er，可以改善非晶合金的形成能力并明显提高合金的塑性变形能力。为此，本文作者拟在Ti-16Al-27Nb合金中添加少量稀土元素Er，研究稀土元素Er对合金组织和性能的影响。
1 实验
采用纯度均高于99.9%的Al、Ti、Nb和Er块体材料作为原料，按照Ti-16Al-27Nb-xEr成分(摩尔分数，%)配料，其中x=0、0.3、0.6、1.2、1.6和2.0，利用NEW-ADR-05真空电弧炉把配比好的原料熔炼成合金铸锭。采用真空热处理炉在氩气保护下对所制备的合金铸锭进行热处理，热处理制度如下：室温升至 1 250 ℃并保温2 h进行均匀化处理，然后快冷至 850 ℃继续保温8 h，最后炉冷至室温。
利用线切割方法从处理后的铸锭中切取试样进行分析。室温压缩实验采用尺寸为d4 mm×6 mm的圆柱形样品；采用SANS电子式材料实验机进行压缩实验，加载速率为0.3 mm/min；采用金相显微镜对腐蚀后的试样进行金相组织观察，腐蚀剂组成为V(HNO3):V(HF):V(H2O2):V(H2O)=5:2:12.5:45。采用AXS D-8X射线衍射仪测定试样的相组成；采用JXA-8100电子探针显微分析仪(EPMA)和JEM-2100F透射电子显微镜(TEM)观察试样的显微组织和形貌；采用透射电镜所带的能谱仪进行成分分析。
2 结果与讨论
2.1 合金的压缩性能
图1所示为试样的室温压缩应力—应变曲线。从图1可以看出，所有曲线在经历一个近似的线性变形过程后都出现一个应力平台，呈现典型的马氏体相变特征[4]。表1所列为激发合金马氏体相变所需的应力sM，其确定方法如图1中的插图所示，沿曲线线性段和平台分别作切线，两切线的交点即为马氏体相变激发应力点。同时，表1中还列出了合金的断裂强度sf以及断裂前的应变率e。可见，加入稀土元素Er后，合金的马氏体相变激发应力sM和断裂强度sf均有一定程度的提高，但应变率e出现先增后减的趋势。当Er含量为0.6%(摩尔分数)时，合金具有优良的塑性变形能力，在整个压缩过程中，合金棒不发生断裂，如图1中曲线(c)所示。除曲线(e)表示的合金外，其他合金的断裂韧性都比没有添加稀土Er的母合金的高。可见，添加稀土元素Er对合金的力学性能产生了重要影响，这与合金的组织变化相关。
图1 不同Er含量(摩尔分数)Ti-16Al-27Nb合金的压缩应力—应变曲线
Fig.1 Compressive stress—strain curves of Ti-16Al-27Nb alloy with different mole fractions of Er: (a) 0% Er; (b) 0.3% Er; (c) 0.6% Er; (d) 1.2% Er; (e) 1.6% Er; (f) 2.0% Er
2.2 合金的相组成
图2所示为试样的XRD谱。元素Er的摩尔分数分别为0、0.6%和1.2%。由于元素Er的添加量较少，在图2所示的X射线衍射谱中没有发现与Er元素有关的特征峰。通过标定可知，所有合金均由O、a2和B2相组成，可见，添加稀土元素Er不能明显改变合金的相组成。但从合金的显微组织来看，添加稀土元素Er后，合金的组织得到细化，且当稀土元素含量达到一定时，合金中将析出富稀土相。
表1 Er含量(摩尔分数)对Ti-16Al-27Nb合金力学性能的 影响
Table 1 Effect of Er content (mole fraction) on mechanical properties of Ti-16Al-27Nb alloy
图2 不同Er含量(摩尔分数)Ti-16Al-27Nb合金的XRD谱
Fig.2 XRD patterns of Ti-16Al-27Nb alloy with different Er contents (mole fraction)
图3所示为合金的光学金相组织。可以看出，随着Er含量的增加，合金的晶粒尺寸急剧减小。表2所列为添加稀土元素Er后合金晶粒尺寸的变化。
从表2可以看出，稀土元素Er对合金晶粒细化效果非常明显。根据Hall-Petch关系可知，合金强度随着元素Er含量的增加而逐渐提高。 但从表1可以看出，在所有断裂的合金中，0.3％Er(摩尔分数)的合金具有最高的断裂强度，而马氏体相变的激发应力基本随Er含量的增加而增加，这与添加元素Er引起的固溶强化、弥散强化以及晶界强化作用有关。
图4所示为合金晶粒中亚组织的背散射形貌。其中：图4(a)、(b)和(c)试样中稀土元素Er的摩尔分数分别为0、0.6%和1.2%。从图4可见，所有合金都由针状组织构成，当没有添加元素Er时，合金由灰色相和黑色相组成，合金中没有析出相；值得注意的是，当元素Er的添加量达到0.6%(摩尔分数)时，在黑色相中开始析出一些细小的白色颗粒相，如图4(b)中的局部放大图所示；当元素Er的含量继续增加，如达到1.2%(摩尔分数)时，合金中的针状组织粗化，灰色相体积含量增加并逐步形成块状组织，同时析出白色颗粒相的含量增加，尺寸增大并在晶界聚集，如图4(c)所示。
图3 Ti-16Al-27Nb-xEr合金光学金相组织
Fig.3 Optical microstructures of Ti-16Al-27Nb-xEr: (a) 0%Er; (b) 0.6% Er; (c) 1.2% Er
表2 Er含量(摩尔分数)对合金晶粒尺寸的影响
Table 2 Effect of Er content (mole fraction) grain size of Ti-Al-Nb alloy
图4 Er元素含量(摩尔分数)对Ti-16Al-27Nb合金显微组织的影响
Fig.4 Effect of Er content (mole fraction) on microstructure of Ti-16Al-27Nb alloy: (a) 0% Er; (b) 0.6% Er; (c) 1.2% Er
当Er含量较低时，元素Er主要固溶在基体中，起固溶强化作用，也可偏聚在晶界，对晶界起强化作用。此时，元素Er的含量越高，强化效果越明显，从而使合金的断裂强度和马氏体相变激发应力增加；但随着元素Er含量的进一步增加，合金中析出细小的Er相，对合金起弥散强化作用，阻碍晶粒切变过程的进行，使马氏体相变激发应力增加；当元素Er的含量高于0.6%(摩尔分数)以后，析出相随着Er含量的增加而长大，并在晶粒内或晶界析出，晶界的析出相导致晶界强度降低，从而使合金的断裂强度下降。
可见，稀土元素Er可以以固溶强化、弥散强化以及细化晶粒的方式改善合金的性能，但当添加量过高如超过0.6%(摩尔分数)时，合金中将出现较多的析出相，这些析出相将在晶界聚集，使合金的性能下降。综上所述，只有当合金中含有0.6%Er(摩尔分数)时，细小的析出相主要弥散分布在晶粒内，试样具有明显的塑性，且在压缩过程中，试样不再断裂，合金的性能良好。
2.3 合金的显微结构
图5(a)所示为Ti-16Al-27Nb-0.6Er合金的TEM像。从图5(a)可以清晰地分辨出3个相，即黑色板条、灰色板条和直径为400 nm左右的黑色颗粒状析出相。表3所列为通过能谱分析获得的各相化学成分。由表3可知，3种组成的相含有的元素种类相同，都由Ti、Al、Nb和Er组成，但其含量相差较大。在黑色板条和灰色板条相中均固溶有元素Er，但含量低于合金中Er的平均含量。而黑色析出相主要由元素Er组成，其含量高达75.8%。可见，这是一种富Er的析出相。
通过电子衍射分析可知，黑色板条相为具有体心立方结构的B2相，其晶格常数为3.5 ?；灰色板条相为具有正交结构的O相，其晶格常数a、b和c分别为6.68、10.54和11.4 ?。图5(b)和(c)所示分别为黑色板条和灰色板条相沿[001]晶带轴的选区电子衍射谱。可见，灰色相在[100]方向具有周期为13.36 ?的调制结构。
图5(a)所示的黑色颗粒即为图4中所示的白色颗粒状析出相。图6所示为绕[110]方向旋转不同角度后富Er析出相的选区电子衍射谱，旋转角度分别为10.0°和25.3°。通过三维重构，可以确定该相具有体心立方倒易点阵，因此，富Er相具有面心立方结构，且晶格常数为5.575 ?，可以推出，其{112}面的面间距为2.276 ?。由能谱分析可知，富Er相中Ti、Al和Nb 3种元素的摩尔分数之和与元素Er的摩尔分数之比接近1:3，由此可以推测富Er相为具有面心立方结构的(AlTiNb)Er3。从
和
晶带轴的衍射谱还可以发现，富Er相沿á110?和<001>方向具有周期调制结构，其调制周期分别为原周期的4倍和2倍。图6(b)所示为富Er相沿晶带轴方向的高分辨图像。从图6(b)可以看出，在á110?方向具有4倍于原周期的调制结构。 从高分辨图像中可得{112}的面间距为2.227 ?，与理论计算值非常接近。
图5 Ti-16Al-27Nb-0.6Er合金的TEM像及选区电子衍射谱
Fig.5 TEM image of Ti-16Al-27Nb-0.6Er (a) and SAD patterns of dark strip along [001] (b) and grey strip along [001] (c)
表3 合金各相的化学组成
Table 3 Chemical compositions of phases in alloy
图6 富Er相沿不同晶带轴的选区衍射谱及沿
晶带轴的高分辨图像
Fig.6 Er-rich phase SAD patterns along different axis (a) and HTEM image along direction (b)
3 结论
1) 在Ti-16Al-27Nb合金中添加适量的稀土元素Er可以改变合金的显微组织和力学性能。
2) 元素Er以固溶形式或形成富Er相的形式存在。当含量较低时，Er主要以固溶形式存在于合金中，合金由O、a2和B2相组成；当Er含量增加时，在合金中逐渐析出富Er相并随着Er含量的增加而长大。
3) 元素Er具有细晶强化、固溶强化和弥散强化效果，对合金的力学性能具有重要影响。当Er含量较低时，晶界强化效果明显；当Er含量达到0.6%(摩尔分数)或继续增加时，析出相尺寸增大并可在晶界析出，导致合金晶界强度降低，从而使合金的性能下降。0.6%Er(摩尔分数)合金具有优良的塑性。
4) 合金中析出的富Er相具有面心立方结构，晶格常数为5.575 ?，沿á110?和á001?方向具有周期调制结构，其调制周期分别为原周期的4倍和2倍。
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(编辑 陈卫萍)
收稿日期：2010-10-25；修订日期：2011-03-25
通信作者：段辉平，副教授，博士；电话：010-82339822；E-mail：hpduan@buaa.edu.cn
