文章编号：1004-0609(2013)S1-s0662-05
W对高铌TiAl合金组织和力学性能的影响
韩建超1, 2，徐丽娟1，肖树龙1, 2，陈玉勇1, 2，王致彬3
(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：
研究分别添加0.3%、0.7%、1.0%W(摩尔分数)对高铌TiAl合金组织和力学性能的影响。结果表明：W的添加不改变合金的凝固路径，不影响合金的室温相组成；随W添加量的增加，合金中Nb和Al的元素偏析程度提高，添加1.0%W时，Al元素偏析明显；W的添加提高TiAl合金的显微硬度，W含量的变化对显微硬度的影响较小；适量的添加W可提高合金的室温压缩强度，添加0.7%W合金的强度达到最大，为1821 MPa，压缩率为24.47%，过量的W(1.0%)将导致合金组织偏析严重，恶化合金的性能。
关键词：
中图分类号：TG146.2+3 文献标志码：A
Effect of W addition on microstructure and mechanical properties of high-Nb TiAl alloy
HAN Jian-chao1,2, XU Li-juan1, XIAO Shu-long1,2, CHEN Yu-yong1,2, WANG Zhi-bin3
(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: The effects of the addition of 0.3%, 0.7%, 1.0%W (mole fraction) on the microstructure and mechanical properties of high-Nb TiAl alloy were studied. The results show that the W alloying doesn’t change the alloy solidification path, has no effect on the room temperature phase composition of high-Nb TiAl alloy. With the increase of W content, the segregation degree of Nb and Al element is enhanced, and the macrosegregation of Al turns striking with 1.0% W addition. Tungsten alloying boosts the microhardness of TiAl alloy, while this boost does not rely on the W content variation. Appropriate W addition can facilitate the room temperature compression strength, the strength achieves maximum value as 1821MPa and the compressibility reaches 24.47% with 0.7% W addition. Nevertheless, excessive W addition (1.0%) will deteriorate the mechanical property owing to severe segregation of Nb, W and Al.
Key words: TiAl alloy; W; microstructure; mechanical property
高铌TiAl合金作为重要的新型高温结构材料之一，由于其低密度、优异的高温强度以及良好的高温抗氧化性等优点，极具应用前景与发展潜力[1-3]。然而，高铌TiAl合金具有铸态组织粗大、室温塑性及加工性差、室温与高温性能之间匹配性不良等缺 点，制约了其应用。研究表明[4-6]，W对TiAl基合金具有很强的固溶强化作用以及钉扎1/6<112>孪生位 错、提高合金强度；同时W是β相稳定元素[7-10]，可以抑制α2相长大，细化晶粒进而提高其综合性能。在此，本文作者对4种不同W含量的高铌TiAl合金铸态显微组织及其力学性能之间的关系进行了讨论。
1 实验
实验用原材料为海绵钛(99.9%，质量分数)、高纯铝(99.9%)、铝铌中间合金(铌含量52.59%)和高纯钨(99.9%)。合金名义成分Ti-45Al-7Nb-xW (x=0、0.3%、0.7%、1.0%，摩尔分数)，采用DHL-400型真空非自耗电弧炉熔炼成合金锭，合金锭经LZ-5离心铸钛机浇铸为d10 mm×40 mm的铸锭。压缩试样为d 3 mm×5 mm柱状，试样由铸锭心部线切割而成。压缩试验在Instron-5500万能材料试验机上进行，测试温度为室温，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的显微硬度值，加载载荷0.98 N，加载时间15 s。
采用OLYMPUS-TH3光学显微镜、S-4700型扫描电镜观察试样金相组织和压缩试样的断口形貌。利用D/max-B型旋转阳极X射线衍射仪进行X射线衍射(XRD)分析试样的相组成，衍射范围20°~100°，步长0.02°，每步0.5 s。
2 实验结果
2.1 合金的相组成
图1所示为不同W含量TiAl合金的XRD谱。从图1可知，Ti-45Al-7Nb-xW合金组织均由γ相和α2相组成，未发现B2相，这可能是由于B2相的含量较少，未能检测出。
图1 Ti-45Al-7Nb-xW合金XRD谱
Fig.1 XRD patterns of Ti-45Al-7Nb-xW alloys
2.2 合金的显微组织
图2所示为不同W含量TiAl合金的背散射SEM像。从图2可以发现，除了W、Nb等重元素偏析外，未见其他化合物，因此可以判定，W和Nb在合金中固溶于α2基体，在非平衡铸态组织中偏聚于枝晶间。图2(a)所示合金中不含W，但其背散射图像中依然有白色的网状组织，说明其是金属Nb的枝晶间偏析。随W含量的增加，4种合金中的偏析情况越来越严重，在图2(d)中有条状物交叉，可能是合金在凝固过程中由于W含量较高，枝晶偏析程度大，枝晶发达，相互交叉的结果。
图2 Ti-45Al-7Nb-xW合金的BSE像
Fig.2 BSE images of Ti-45Al-7Nb-xW alloys
2.3 合金的力学性能
合金的室温压缩试验结果如图3所示。由图3可知，合金在屈服到断裂的过程中，抗压强度和应变量均显著增加。Ti-45Al-7Nb的抗压强度为1460 MPa，当添加W后，抗压强度逐渐增加，Ti-45Al-7Nb-0.7W的抗压强度最大，达到1821 MPa。Ti-45Al-7Nb压缩率为21.82%，添加W后合金压缩率并无规律性变化，当合金成分为Ti-45Al-7Nb-0.7W时，压缩率增加到最大，达到24.47%。
图4所示为Ti-45Al-7Nb-xW合金的压缩断口形貌。从图4可以看出，4种合金的试样断裂面均未出现塑性变形痕迹，失效形式既有穿层片断裂，又有沿层片断裂，断裂类型为脆性断裂，W的添加对合金断口形貌和断裂方式影响不大。
图3 Ti-45Al-7Nb-xW合金的室温压缩应力—应变曲线
Fig.3 Room temperature compression stress—strain curves of Ti-45Al-7Nb-xW alloys
图5所示为Ti-45Al-7Nb-xW合金的显微硬度随W含量的变化。在本试验中，测试了每种合金6个不同位置的显微硬度，最后取其平均值。从图5中可以看出，Ti-45Al-7Nb合金的显微硬度最小，为332HV；当添加W后，显微硬度值上升；随着W含量的继续增多，显微硬度值逐渐增加，Ti-45Al-7Nb-1.0W的显微硬度为392HV，达到最大值。
图4 Ti-45Al-7Nb-xW合金的断口形貌
Fig.4 Fracture morphologies of Ti-45Al-7Nb-xW alloys
图5 Ti-45Al-7Nb-xW合金的显微硬度
Fig.5 Microhardness of Ti-45Al-7Nb-xW alloys
3 分析与讨论
3.1 W对组织的影响
由图1可知，W元素的添加对Ti-45Al-7Nb合金的室温相组成无影响，图2所示的4种合金的BSE像，表明W的添加提高了合金中的元素偏析程度。据能谱分析可知，图中亮白色网络状区域Nb和W含量较多，暗黑色区域为富Al区。众所周知，β相稳定元素Nb和W的加入，扩大了β相区的范围[11-13]。据实验结果分析，W的添加不影响合金的凝固过程，Ti-45Al-7Nb-xW合金沿着β相凝固路线：L→L+β。在析出的β相枝晶中Al元素贫乏而β相稳定元素(如Nb和W)富集，因此，β相的析出势必将多余的Al原子通过固液界面向液相中排出，同时液相中的Nb原子和W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元素和W元素越来越贫乏，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，凝固后的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，随后转变成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，β相稳定元素Nb和W沿着相反方向扩散，这个趋势导致了β和α晶粒的界面处Nb和W富集而Al贫乏。随着包晶反应的进行，反应界面不断从枝晶间区域向枝晶臂推进，最后在β相枝晶臂中Al贫乏而Nb和W富集 ，随后转变为B2相，在BSE像中表现为白色的网状组织。α晶粒在随后的冷却过程中，转变成α2/γ层片组织，在BSE图像中表现为灰色的层片组织。结合图2可以看出，随着W含量的增加，BSE像中白色组织的亮度在不断增加。这是因为W的存在促进了Nb的偏析，同时Nb和W都是β相稳定元素， Nb和W很容易在β相中富集。
3.2 W对力学性能的影响
晶粒粗大的TiAl合金中，由于位错运动困难，变形过程中易形成位错缠结及位错塞积，导致合金过早解理断裂而失效。TiAl合金的屈服强度和晶粒尺寸间符合Hall-Petch公式，因此，细化晶粒能达到改善延展性和提高强度的目的。有研究表明[9,14-16]，适量添加可提高Ti-Al-Nb合金的室温和高温强度，但W的添加将导致显微组织偏析，使塑性恶化，同时枝晶组织的存在可诱发裂纹萌生，导致合金的过早失效。
由图3压缩曲线可知，适量添加W可提高合金的强度，在W含量为0.7%时，强度达到最大值，这是由于W的固溶强化提高晶内和片层内位错运动的阻力。固溶强化效果正比于溶质与溶剂原子半径差，而W原子和Ti、Al的原子半径差约为5.7%，因此，W原子可与1/6<112>孪生位错及1/2<110>普通位错发生强烈的交互作用而使其可动性大幅度降低，从而提高合金的强度。随W含量增加，合金性能反而下降，这与文献[14,16]中的报道结果一致。
4 结论
1) W元素的添加不影响合金的室温相组成，不改变高铌TiAl合金的凝固路径，W含量的增加促进了合金中Nb、Al元素的偏析。
2) 随W含量的增加，合金的室温强度呈上升趋势，0.7%时达到最值，为1821 MPa，压缩率亦为最大，达到24.47%；W的添加提高了合金的显微硬度，W含量的变化对显微硬度的影响较小。
3) 适量的W含量可以提高合金的强度，过量的W将会恶化合金性能，W含量为1.0%时，合金的偏析程度最大，枝晶粗大，影响了合金的强度。
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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
摘 要：研究分别添加0.3%、0.7%、1.0%W(摩尔分数)对高铌TiAl合金组织和力学性能的影响。结果表明：W的添加不改变合金的凝固路径，不影响合金的室温相组成；随W添加量的增加，合金中Nb和Al的元素偏析程度提高，添加1.0%W时，Al元素偏析明显；W的添加提高TiAl合金的显微硬度，W含量的变化对显微硬度的影响较小；适量的添加W可提高合金的室温压缩强度，添加0.7%W合金的强度达到最大，为1821 MPa，压缩率为24.47%，过量的W(1.0%)将导致合金组织偏析严重，恶化合金的性能。
