文章编号：1004-0609(2013)S1-s0645-06

Nb含量对高铌TiAl基合金显微组织和力学性能的影响

徐丽娟¹，肖树龙^1,2，贾  燚^1,2，王致彬³，陈玉勇^1.2

(1. 哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院，哈尔滨 150001；

2. 哈尔滨工业大学 金属精密热加工国家级重点实验室，哈尔滨 150001；

3. 重庆长安汽车股份有限公司，重庆 404100)

摘  要：通过钨极电弧熔炼制备不同Nb含量的高铌Ti-46Al-xNb (x=0, 6, 7, 8, 9，摩尔分数，%)合金，研究Nb含量对高铌TiAl基合金凝固组织和力学性能的影响规律。结果表明：不同Nb含量TiAl基合金的显微组织为近层片组织，同时，铸态组织存在枝晶间Al的偏析和层片内部Nb的网状偏析。X射线衍射分析表明，高铌TiAl基合金中存在γ相和α₂相。室温压缩试验结果表明，几种高铌TiAl基合金中Ti-46Al-7Nb合金的综合力学性能较好，压缩断裂强度为1 715MPa，压缩率为24.21%。扫描电镜断口分析表明，不同Nb含量的Ti-46Al合金均以脆性断裂为主。

关键词：TiAl基合金；铌；显微组织；力学性能

中图分类号：TF 804.3　　     文献标志码：A

Effect of Nb content on microstructure and mechanical properties of high Nb containing TiAl-based alloy

XU Li-juan¹, XIAO Shu-long^1,2, JIA Yi^1,2, WANG Zhi-bin³, CHEN Yu-yong^1,2

(1. School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;

2. National Key Laboratory for Precision Hot Processing of Metals, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;

3. Chongqing Changan Automobile Co., Ltd., Chongqing 404100, China)

Abstract: Nb containing Ti-46Al-xNb (x=0, 6, 7, 8, 9, mole fraction, %) alloys were prepared through tungsten arc-melting. The effect of Nb addition on the microstructures and mechanical properties were studied. The results show that a coarse fully lamellar (FL) microstructure is observed in the as-cast Ti-46Al-xNb alloys. At the same time, there are dendrite segregation of Al in the cast structure and the internal network segregation of Nb in the layer. XRD results indicate that Ti-46Al-xNb alloys are only composed of γ and α₂ phases. The results of compression test at room temperature show that the Ti-46Al-7Nb alloys exhibit superior mechanical properties, with ultimate compressive strength of 1 715 MPa and compressibility of 24.21%. Scanning electron microscopy (SEM) observation indicates that the fracture mode of Ti-46Al-xNb alloys is mainly brittle fracture.

Key words: TiAl-based alloy; Nb; microstructure; mechanical property

TiAl基合金具有低密度、高比强度、高比刚度、良好的高温抗氧化性等优点，因而成为一种最具潜力的新型轻质高温结构材料之一，引起各国科学家及有关部门的极大关注^[1-6]。最近几年相关研究成果显著，但是TiAl基合金的应用仍很多面临困难，比如室温塑性差，850℃以上高温抗氧化能力不足等。XU等^[7]对Ti-Al-Nb三元合金做了大量基础研究，并绘制出含8%Nb和10%Nb的Ti-(44-49)Al的准二元相图。研究表明^[8-12]：在TiAl基合金中添加Nb，能够显著提高其高温强度及抗氧化性，同时Nb是β相稳定元素，添加Nb可以扩大β相相区，保留的β相对合金塑性的发挥是有利的。高铌TiAl基合金具有良好的高温性能，代表着TiAl基合金的最新发展方向。

本文作者以Ti-46Al合金作为研究对象，通过在合金中添加不同含量的Nb，研究Nb含量对Ti-46Al-xNb(x=0,6,7,8,9)合金组织和性能的影响规律。

1  实验

实验用原材料为海绵钛(99.9%)、高纯铝块(99.99%)、铝铌中间合金(Nb-52.59%)。合金的名义成分为Ti-46Al-xNb(x=0, 6, 7, 8, 9)。按照成分配比，实验合金采用真空非自耗电弧熔炼法制备，为保证合金成分均匀，反复重熔4次并进行电磁搅拌，最后得到50 g的纽扣锭。采用LZ5型离心铸钛机将纽扣锭浇注成棒状铸锭，并线切割成实验用试样，然后研磨和抛光。

实验采用S-4700型扫描电镜观察背散射电子显微组织(BSE)和能谱分析，采用D/max-B型旋转阳极X射线衍射仪进行X射线衍射(XRD)实验。金相腐蚀液为Kroll溶液(5%HNO₃+3%HF+92%H₂O，体积分数)。采用Instron-5500万能材料实验机对d 3 mm× 6mm的压缩试样进行室温压缩，压缩应变速率为1 mm/min；采用CLEMEX全自动显微硬度计测试试样维氏硬度值；采用扫描电镜观察压缩断口形貌。

2  讨论与分析

2.1  相组成及显微组织分析

图1所示为不同Nb含量的Ti-46Al-xNb合金XRD谱。从图1可以看出，不同Nb含量的Ti46Al合金组织均由γ相和α₂相组成。

图2所示为不同铌含量的Ti-46Al-xNb合金的BSE像，从图2可以发现，3种衬度不同的组织。其中，暗淡的组织呈狭长的片状，宽度在5~20 μm之间，随着Nb含量的增加，暗淡的组织越来越多；明亮的组织相互连接，呈骨架状，主要分布在片层晶团内部，非常细小，其宽度仅有几微米，随着Nb含量的增加，明亮的组织越来越多；衬度介于前两者之间的为灰色的层片组织。在电弧熔炼纽扣锭的过程中，由于持续不断地加热，铸锭温度长时间处在β和α相区的温度范围内，这就导致α晶粒的长大，在随后的冷却过程中又转变成粗大的全层片晶团。

图1  Ti-46Al-xNb合金XRD谱

Fig.1  XRD patterns of Ti-46Al-xNb alloys

图2  不同铌含量Ti-46Al-xNb合金的BSE像

Fig.2  BSE images of Ti-46Al-xNb alloys

为了进一步确定合金中各元素的分布，选用Ti-46Al-8Nb合金进行了能谱分析，能谱分析结果如图3和表1所示。从EDX数据可以看出，在黑色的组织中Al元素富集，Nb元素贫乏，为γ相；在白色的组织中Nb元素富集，Al元素贫乏；在灰色区域中，Al元素和Nb元素含量介于前两者之间，为α₂/γ层片组织。

图4所示为含8Nb的Ti-Al准二元相图^[7]。从图4可以看出，Nb元素的加入扩大了β相区的范围。根据实验结果可知，本文作者所研究的合金沿着β相凝固路线：L→L+β。析出的β相为Al元素贫乏而Nb元素富集的枝晶，因此，β相的析出势必将多余Al原子通过固液界面向液相中排出，同时液相中的Nb原子也通过固液界面向β相扩散并析出新的β相。随着β相的不断析出，液相中Al元素越来越富集，Nb元素越来越贫乏，因此，最后在β枝晶间区域残留的液相中Al元素富集、Nb元素贫乏。

随着温度的继续降低，合金在凝固过程中通过β+α双相区，凝固的β枝晶通过L+β→α包晶反应转变为α相。包晶反应会首先发生在β枝晶与液相接触的区域。这部分区域Al元素富集，随后又转变为γ相，在BSE像中表现为黑色的组织。在L+β→α转变过程中，Al向α相扩散，Nb沿着相反方向扩散，这势必会导致β和α晶粒的界面处Nb富集而Al贫乏。随着包晶反应的不断进行，反应界面从枝晶间区域向枝晶臂推进，最后在β相枝晶臂中Nb元素富集、Al元素贫乏，因而在BSE像中表现为白色的组织。α晶粒在随后的冷却过程中转变成α₂/γ层片组织，在BSE像中表现为灰色的层片组织。

图3  Ti-46Al-8Nb合金形貌及能谱分析结果

Fig.3  Morphology (a) and EDX patterns ((b), (c), (d)) of Ti-46Al-8Nb alloy

表1  Ti-46Al-8Nb合金的EDX分析结果

Table 1  EDX analysis results of Ti-46Al-8Nb alloy

图4  含8%Nb Ti-Al准二元相图^[7]

Fig.4  Quasi binary phase diagram of Ti-Al with 8% Nb^[7]

2.2  室温压缩性能及断口形貌

图5所示为Ti-46Al-xNb合金的室温压缩应力—应变曲线。从图5可以看出，总压缩变形中弹性变形的区间很小，不到1/5。当添加Nb后，屈服强度增加，达到796 MPa，随着Nb含量的继续增加，屈服强度缓慢降低。从图5还可看出，从屈服到断裂过程中，抗压强度和应变量都显著增加。Ti-46Al的抗压强度为1 709 MPa，当添加Nb后，抗压强度刚开始基本不变，随着Nb含量的继续增加，抗压强度开始下降，当成分为Ti-46Al-9Nb时，抗压强度只有1 568 MPa。Ti-46Al压缩率最大，为26.02%，当添加不同含量的Nb后，压缩率均不同程度的下降。含Nb的Ti-46Al-xNb(x=6, 7, 8, 9)合金中，Ti-46Al-7Nb的压缩率最大，为24.21%。

图5  Ti-46Al-xNb合金的室温压缩应力—应变曲线

Fig.5  Room temperature compression stress—strain curves of Ti-46Al-xNb alloys

图6  不同Nb含量的Ti-46Al-xNb合金的显微硬度

Fig.6  Microhardness of Ti-46Al-xNb alloys

图7  Ti-46Al-xNb合金断口形貌

Fig.7 Fracture morphologies of Ti-46Al-xNb alloys

对不同Nb含量的Ti-46Al-xNb合金进行了显微硬度测试，测试结果如图6所示。从图6可以看出，Ti-46Al的显微硬度最大，为372HV。当添加Nb后，显微硬度值均出现下降。即随着Nb含量的增加，显微硬度逐渐下降，当合金成分为Ti-46Al-8Nb时，显微硬度随之增加，随着Nb含量的继续增加，显微硬度又下降。

图7所示为Ti-46Al-xNb合金断口形貌。从图7可以看出，在断裂面中几乎看不到任何塑性变形的痕迹，因此试样断裂类型为脆性断裂。

3  结论

1) Ti-46Al-xNb合金的相组成均为γ相和α₂相；其显微组织均为粗大的全层片组织，且在BSE像中观察到暗淡的枝晶间组织和明亮的骨架状组织。暗淡的枝晶间组织富Al贫Nb，明亮的骨架状组织富Nb贫Al。

2) 在Ti-46Al-xNb合金中，随着Nb含量的增加，屈服强度先增加再减小，而抗压强度先是基本不变而后逐渐减少，压缩率出现不同程度的下降，显微硬度亦呈现下降趋势。添加Nb后，Ti-46Al-7Nb合金具有较大的压缩率(24.21%)和抗压强度(1 715 MPa)。

3) Ti-46Al-xNb合金的断裂类型为脆性断裂。

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(编辑 龙怀中)

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51001040, 51371064)；国家重点基础研究发展计划资助项目(2011CB605502)

收稿日期：2013-07-28；修订日期：2013-10-10

通信作者：徐丽娟，工程师，博士；电话：0451-86402451；E-mail：xljuan@hit.edu.cn