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     通過冷坩堝懸浮感應(yīng)熔煉、軋制和固溶熱處理制備Ti-8Mo-2Zr、Ti-8Mo-4Nb-2Zr和Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta(原子分?jǐn)?shù)/%)鈦合金，研究了鈮和鉭元素的添加對(duì)合金顯微組織、拉伸性能和變形機(jī)制的影響。本文結(jié)果表明：3種合金的組成相均為單一β相，β相晶粒尺寸隨著鈮、鈮+鉭元素的添加逐步減小；Ti-8Mo-2Zr合金的變形機(jī)制以應(yīng)力誘發(fā)α″馬氏體相變和{332}孿生為主，而Ti-8Mo-4Nb-2Zr和Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta合金的變形機(jī)制以位錯(cuò)滑移為主；變形機(jī)制的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致合金強(qiáng)度的提高和塑性的降低，鈮和鉭元素添加產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化效應(yīng)進(jìn)一步提高了合金的強(qiáng)度，Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta合金的抗拉強(qiáng)度高達(dá)970MPa。

 

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

 

     選取純度為99.99%的金屬鈦、鉬、鋯、鈮和鉭作為原料，按照名義成分為Ti-8Mo-2Zr、Ti-8Mo-4Nb-2Zr和Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta(原子分?jǐn)?shù)/%)計(jì)算所需原料的質(zhì)量。用分析電子天平精確稱取原料，采用冷坩堝懸浮熔煉法制備合金。為確保合金成分均勻，每種合金鑄錠均經(jīng)過4次以上反復(fù)熔煉。

 

     采用電火花切割法從合金鑄錠上切取厚度約為9mm的片狀試樣，對(duì)其進(jìn)行軋制加工，軋制試樣的最終厚度約為3mm，軋制變形量約為67%，Ti-8Mo-2Zr合金在室溫下軋制，其他兩種合金在900~1000℃下軋制。為了消除軋制變形過程中產(chǎn)生的加工硬化和殘余應(yīng)力，對(duì)軋制后的試樣進(jìn)行固溶淬火熱處理。

 

     采用X射線衍射分析儀(XRD)對(duì)合金試樣進(jìn)行物相分析。將試樣用砂紙打磨、金剛石研磨劑拋光后，之后進(jìn)行腐蝕，再在光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行顯微組織觀察。沿軋制方向在熱處理后的試樣上切割出標(biāo)距段尺寸為3mm×1mm×14mm的拉伸試樣，在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，使用電子引伸計(jì)測(cè)定應(yīng)變，得到拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

 

     為了分析變形機(jī)制，使用場(chǎng)發(fā)射透射電鏡(TEM)對(duì)拉伸至變形量為20%的Ti-8Mo-2Zr合金以及拉伸至斷裂的Ti-8Mo-4Nb-2Zr和Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta合金進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)觀察。

 

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

 

2.1 顯微組織

 

 

圖1 3種試驗(yàn)合金的XRD譜

 

     由圖1可以看出：Ti-8Mo-2Zr、Ti-8Mo-4Nb-2Zr和Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta這3種合金的XRD譜中均只出現(xiàn)β相的衍射峰，說明經(jīng)過固溶水冷處理后3種合金均為β單相鈦合金。鈮和鉭的原子半徑均為0.134nm，與鈦的原子半徑(0.132nm)較為接近，易溶于β相形成置換固溶體，因此經(jīng)固溶水冷處理后3種合金均得到了單一的β相。利用3種合金(110)衍射峰的角度進(jìn)行計(jì)算，得到β相的晶格常數(shù)均為0.326nm左右。

 

 

圖2 3種試驗(yàn)合金的顯微組織

 

     由圖2可以看出，3種試驗(yàn)合金的組織均為等軸狀β 晶粒。Ti-8Mo-2Zr、Ti-8Mo-4Nb-2Zr和Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta合金的β晶粒尺寸分別約為300，230，170μm，隨著鈮和鉭的添加晶粒尺寸逐漸減小。這說明鈮和鉭等元素的添加減緩了固溶熱處理過程中的元素?cái)U(kuò)散和晶粒長(zhǎng)大，起到了細(xì)化晶粒的作用。

 

2.2 拉伸性能

 

 

圖3 3種試驗(yàn)合金的拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和拉伸應(yīng)變硬化率-真應(yīng)變曲線

 

表1 3種試驗(yàn)合金的拉伸性能

 

 

      由圖3(a)和表1可以明顯看出，3種試驗(yàn)合金的變形行為和拉伸性能相差較大。Ti-8Mo-2Zr合金的屈服強(qiáng)度較低，約為410MPa，屈服后經(jīng)歷范圍較寬的應(yīng)變硬化階段，最終抗拉強(qiáng)度達(dá)到660MPa，斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到32%；隨著鈮和鈮+鉭的添加，試驗(yàn)合金的強(qiáng)度逐漸提高，同時(shí)塑性降低。由圖3(b)可以看出，Ti-8Mo-2Zr合金的應(yīng)變硬化率在10%~25%的應(yīng)變范圍內(nèi)維持在1500MPa左右，而Ti-8Mo-4Nb-2Zr和Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta合金的應(yīng)變硬化率在應(yīng)變達(dá)到5%左右即急劇下降，直至合金斷裂。結(jié)合顯微組織的變化分析發(fā)現(xiàn)，由晶粒細(xì)化引起的細(xì)晶強(qiáng)化可以部分解釋強(qiáng)度的提高，但是仍需對(duì)變形機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

 

2.3 變形機(jī)制

 

 

圖4 拉伸至應(yīng)變20%時(shí)Ti-8Mo-2Zr合金中某區(qū)域的TEM形貌及衍射花樣

 

     由圖4可以看出：在拉伸變形過程中，Ti-8Mo-2Zr合金某變形區(qū)域產(chǎn)生了大量條帶狀孿晶組織，寬度在300~500nm，不同取向的孿晶相互交叉產(chǎn)生扭折和錯(cuò)位；對(duì)孿晶界進(jìn)行選區(qū)電子衍射(SAED)得到的衍射花樣為兩套互為孿晶的β相[110]軸衍射花樣，孿晶面為{332}；衍射花樣中除了出現(xiàn)β相的衍射斑點(diǎn)外，在β基體和β孿晶的{112}衍射斑點(diǎn)的1/3和2/3處還出現(xiàn)了ω相的衍射斑點(diǎn)，說明在β基體和β孿晶中都存在ω相。綜上可知，Ti-8Mo-2Zr合金的變形機(jī)制主要為{332}孿生。

 

 

圖5 拉伸至應(yīng)變20%時(shí)Ti-8Mo-2Zr合金中另一區(qū)域的TEM形貌及衍射花樣

 

     由圖5可以看出：在拉伸變形過程中，Ti-8Mo-2Zr合金另一處變形較為劇烈區(qū)域處的{332}孿晶內(nèi)部出現(xiàn)了細(xì)小的板條，對(duì)其進(jìn)行SAED分析，結(jié)果顯示為β相[110]軸的衍射花樣和α″馬氏體[001]軸衍射花樣疊加，表明β基體中出現(xiàn)了α″馬氏體，說明孿晶內(nèi)部細(xì)小的板條為α″馬氏體。由此可見，Ti-8Mo-2Zr合金在變形中發(fā)生了應(yīng)力誘發(fā)α″馬氏體相變。

 

 

圖6 拉伸至斷裂后Ti-8Mo-4Nb-2Zr和Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta合金的TEM明場(chǎng)像

 

     對(duì)拉伸至斷裂的Ti-8Mo-4Nb-2Zr和Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta合金進(jìn)行TEM顯微結(jié)構(gòu)觀察時(shí)，沒有發(fā)現(xiàn)孿晶等明顯的變形組織。局部區(qū)域出現(xiàn)由位錯(cuò)聚集而形成的滑移帶，分布較為集中，如圖6所示。這些位錯(cuò)滑移帶相距較近，很容易產(chǎn)生交割和纏結(jié)，阻礙位錯(cuò)的進(jìn)一步滑移，造成應(yīng)力集中。因此，合金在拉伸屈服后迅速發(fā)生加工硬化，位錯(cuò)滑移困難，導(dǎo)致在強(qiáng)度提高的同時(shí)塑性降低。

 

     綜上可知，Ti-8Mo-2Zr合金的變形機(jī)制以應(yīng)力誘發(fā)α″馬氏體相變和{332}孿生為主，而Ti-8Mo-4Nb-2Zr和Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta合金的變形機(jī)制以位錯(cuò)滑移為主。鈮和鉭是β穩(wěn)定元素，二者的添加會(huì)逐步提高鈦合金中β相的穩(wěn)定性。隨著β相穩(wěn)定性的提高，合金的主導(dǎo)變形機(jī)制由應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變和孿生轉(zhuǎn)變?yōu)槲诲e(cuò)滑移。前者導(dǎo)致顯著的應(yīng)變硬化、優(yōu)異的塑性和較低的強(qiáng)度，而后者則會(huì)產(chǎn)生較高的強(qiáng)度和較低的塑性。此外，鈮和鉭的添加還能夠產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化效果，因此Ti-8Mo-4Nb-2Zr和Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta合金的抗拉強(qiáng)度均遠(yuǎn)高于Ti-8Mo-2Zr合金，Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta合金的抗拉強(qiáng)度更是高達(dá)970MPa。

 

3 結(jié) 論

 

     (1) 在Ti-8Mo-2Zr合金中依次添加4%鈮和4%鈮+2%鉭(均為原子分?jǐn)?shù))后，其組成相仍為單一的β相，并且β相的晶格常數(shù)均約為0.326nm，合金的晶粒尺寸依次減小。

 

     (2) 鈮和鉭元素的添加提高了鈦合金的β相穩(wěn)定性，使得Ti-8Mo-2Zr合金的主導(dǎo)變形機(jī)制由應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變和孿生轉(zhuǎn)變?yōu)槲诲e(cuò)滑移，導(dǎo)致了強(qiáng)度的提高和塑性的降低；此外，鈮和鉭元素的添加產(chǎn)生了細(xì)晶強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化作用，進(jìn)一步提高了合金的強(qiáng)度，Ti-8Mo-4Nb-2Zr-2Ta合金的抗拉強(qiáng)度高達(dá)970MPa。

 

引用本文：

 

王敏，LU Liming，王長(zhǎng)浩，等.添加鈮和鉭對(duì)TiMoZr合金變形機(jī)制和拉伸性能的影響[J].機(jī)械工程材料，2022，46（1）：14-18.

 

Wang M, LU Liming, Wang C H, et al. Effect of Nb and Ta Addition on Deformation Mechanism and Tensile Properties of TiMoZr Alloys, 2022, 46（1）: 14-18.