双态和全片层组织大尺寸Ti-43Al-9V-Y合金的拉伸性能

焦泽辉，于慧臣，苏勇君，孔凡涛，陈玉勇

（北京航空材料研究院1.航空材料检测与评价北京市重点实验室；2.先进高温结构材料重点实验室，北京100095；3.中航试金石检测科技有限公司，北京100095；4.哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150001）

0 引 言

TiAl金属间化合物合金因具有高的比强度、比模量以及良好的高温抗氧化、抗蠕变性能而成为代替镍基高温合金的备选材料，其潜在的使用温度为600～850℃［1-5］。TiAl合金板材不仅可以直接用于大型结构件，还可以采用超塑性成型等技术加工或航空航天发动机壳体、隔热板以及热区蒙皮等。TiAl合金在这些部件上的应用可实现未来航空航天发动机减重降噪、提高推重比的目标。但TiAl合金的本征脆性及难变形性大大阻碍了它的工程化应用。目前，通过高温锻造、挤压、轧制等热加工技术，加上不断优化化学成分及热加工工艺参数等诸多措施，使得TiAl合金的热加工性得到了很大提高，TiAl合金大尺寸板材的制造也逐渐成为可能［6-9］。

通过在TiAl合金中添加适量钒和钇元素，可有效提高合金的塑性，改善其热加工性能［10］。作者以新开发的Ti-43Al-9V-Y合金为研究对象，制备出了目前国内报道的最大尺寸的（φ500mm×46mm）合金锻坯；在此基础上，进一步研究了该合金锻坯的组织均匀性，并对原始锻态双态组织（DP组织）及热处理后全片层组织（FL组织）合金锻坯不同位置处的显微组织及不同温度下的拉伸性能进行了研究。

1 试样制备与试验方法

试验合金的名义成分为（原子分数/%）43Al，9V，1Y，余Ti。首先采用真空自耗电极电弧炉熔炼技术（简称VAR）制备尺寸为φ220mm×800mm的合金铸锭，如图1所示，所用原料为海绵钛（纯度为99.7%）、高纯铝（纯度为99.99%），其它添加元素均采用中间合金（铝钒合金、铝钇合金）的形式加入；然后切取φ220mm×300mm合金铸锭，经成分均匀化热处理和热等静压处理（氩气保护，1 250℃/175MPa/4h/FC）后，利用包套锻造工艺制备大尺寸（φ500mm×46mm）的Ti-43Al-9V-Y合金锻坯，锻造在大气中进行，始锻温度约为1 200℃，应变速率约为 0.01s-1，总变形量为80.8%，锻坯宏观形貌如图2所示；最后切取适量锻坯，在1 350℃下保温8h，随炉冷却。

为了研究Ti-43Al-9V-Y合金锻坯不同位置处拉伸性能的差异，分别沿锻坯厚度方向，在上、中、下三个位置切取试棒，试棒轴向与锻坯弦向平行，取样位置如图2所示。将试棒加工成长为71mm、标距直径为5mm的拉伸试样。锻态试样记为DP，热处理态试样记为FL。

图1 采用真空自耗电极电弧炉熔炼技术制备的合金铸锭Fig.1 Alloy ingot prepared by vacuum consumable electrode arc furnace remelting（VAR）technology

图2 合金锻坯的宏观形貌及拉伸试样取样位置Fig.2 Macrography of alloy forging pie and sampling position for tensile sample

采用Instron5887型拉伸试验机对两种组织的合金试样进行拉伸试验，试验温度为室温，700，750，800，900℃，室温拉伸试验依照HB5143-1996《金属室温拉伸试验方法》进行，高温拉伸试验依照HB5195-1996《金属高温拉伸试验方法》进行；采用JEOL-5600LV型扫描电子显微镜（SEM）观察两种组织的合金在不同温度下的拉伸断口形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图3可见，锻坯的显微组织为DP组织，主要由弯曲、碎化的γ/（β/B2）层片、块状的γ相和β/B2相组成；在1 350℃下保温8h后得到了FL组织，其主要由γ/（β/B2）/α2层片组成，片层团尺寸约为100μm。两种显微组织中的白色细小析出物均为YAl2［10］。

从图4可以看出，合金锻坯表面和中心位置的显微组织无明显差别，只是中心位置处的片层团界面的析出相较多。从表1所示的拉伸性能来看，在合金厚度方向上，上、中、下三个位置处的拉伸强度及塑性没有明显的规律性差异，这说明合金锻坯的组织均匀性较好，片层团界面析出相所占比例的略微差异对拉伸性能无明显影响。

2.2 拉伸性能

图5中的平均应力-应变曲线是在认为合金锻坯不同位置处的拉伸性能一致的前提下得出的，是对大尺寸Ti-43Al-9V-Y合金锻坯拉伸性能的整体评价。

图3 不同组织试验合金的显微组织Fig.3 Microstructure of tested alloys with different structure：（a）DP structure and（b）FL structure

图4 大尺寸试验合金锻坯不同位置处的显微组织Fig.4 Microstructure of large-sized tested alloy pie at different positions：（a）surface and（b）interior

表1 不同组织试验合金在不同温度下的拉伸性能Tab.1 Tensile properties of tested alloy with different structure at different temperatures

从表1和图5可以看出，随着温度的升高，两种组织合金的抗拉强度和屈服强度均逐渐降低。

从图6可以看出，在室温～700℃范围内，随着温度的升高，DP组织和FL组织合金的屈服强度均略有下降，但仍保持在较高的强度水平，两种组织合金在700℃时的平均屈服强度分别为549MPa和516MPa；在700～900℃范围内，随着温度的升高，DP组织和FL组织合金的屈服强度均迅速下降，其中DP组织合金屈服强度的下降速度略快于FL组织合金的，900℃时二者的平均屈服强度分别降至172MPa和210MPa。室温时，DP组织和FL组织合金的强度虽然较高，但伸长率仅为1%左右，塑性较差；700℃时，两种组织合金的平均伸长率分别为8.3%和2.05%；当温度高于700℃以后，伸长率明显增大，750℃时，两种组织合金的平均伸长率分别增至64.4%和16.4%，并且随着温度的继续升高，伸长率逐渐增大。这说明，试验合金在700℃以上开始呈现出软化的趋势。

图5 不同组织试验合金在不同温度下的平均拉伸应力-应变曲线Fig.5 Average tensile stress-strain curves of tested alloys with different structure at differnt temperatures：（a）DP structure and（b）FL structure

图6 不同组织试验合金平均屈服强度、伸长率与温度的关系Fig.6 Average yield strength and elongaion vs temperature for tested alloys with different structure

综合以上得出，试验合金在室温～700℃范围内具有较高的拉伸强度，但室温塑性较差；在700℃时DP组织合金的强度及塑性均好于FL组织合金的；当温度高于700℃以后，两种合金均呈现出软化的趋势，拉伸强度迅速下降，塑性则逐渐增大。

图7给出了不同组织试验合金Ti-43Al-9V-Y与目前研究较成熟的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金（合金1）、Ti-46.5Al-2Cr-3Nb-0.2W 合金（合金2）以及Ti-47Al-1Cr-0.9V-2.6Nb合金（合金3，片层团尺寸1 000μm）的屈服强度与温度的关系。可以看出，当温度低于700℃时，试验合金的屈服强度高于其它合金，但是当温度高于700℃后，试验合金的屈服强度迅速下降，到900℃时，其屈服强度已明显低于其它合金。这说明与同类合金相比，试验合金在700℃以下的拉伸性能更具优势。

图7 不同TiAl合金的屈服强度与温度的关系Fig.7 Yield strength vs temperature for different TiAl alloys

2.3 断口形貌

从图8可以看出，在700℃拉伸后，DP组织合金断口为穿晶解理断裂；当温度升高至750℃时，断口出现大量韧窝，而且温度越高，韧窝数量越多，断口越粗糙；当温度为800℃时，在断口表面可观察到明显的氧化膜。

从图9可以看出，在700，750℃拉伸后，FL组织合金的断口为穿层解理断裂；当温度升至800℃时，合金呈现为韧性断裂特征，而且温度越高，韧性断裂特征越明显；在800，900℃的拉伸断口表面也可观察到明显的氧化膜。可见，当温度高于800℃后，试验合金的抗氧化性减弱。

3 结 论

（1）采用真空自耗电弧炉熔炼技术、均匀化热处理、热等静压以及包套锻造等工艺制备了大尺寸Ti-43Al-9V-Y合金，其组织均匀性较好，为双态组织（DP组织），不同位置处的拉伸性能无明显差异；对其在1 350℃保温8h后得到全片层组织（FL组织）。

（2）在室温～700℃范围内拉伸时，随着温度的升高，DP组织和FL组织Ti-43Al-9V-Y合金的屈服强度略有下降，但仍保持在较高水平；在700～900℃范围内，随着温度的升高，两种组织合金的屈服强度迅速下降，其中DP组织合金由700℃时的549MPa降至900℃时的172MPa，FL组织合金由700℃时的516MPa降至900℃时的210MPa。

图8 DP组织合金在不同温度下的拉伸断口形貌Fig.8 Tensile fracture morphology of DP structure alloy at different temperatures

图9 FL组织合金在不同温度下的拉伸断口形貌Fig.9 Tensile fracture morphology of FL structure alloy at different temperatures

（3）在700℃拉伸时，DP组织和FL组织Ti-43Al-9V-Y合金的平均伸长率分别为8.3%和2.05%，当温度高于700℃以后，合金开始呈现软化趋势，抗氧化性减弱，拉伸断口表面可观察到韧窝及明显的氧化膜。

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