硼对TC4/B钛合金铸造组织与性能的影响

2012-10-31戚运莲曾立英侯智敏卢亚锋

钛工业进展 2012年6期

戚运莲，曾立英，侯智敏，洪权，卢亚锋，赵彬

(西北有色金属研究院，陕西西安 710016)

1 前言

钛合金密度小、比强度高、抗腐蚀性能强，具有良好的高温和低温力学性能，是一种优良的结构材料，已广泛应用于航空航天、军事、民用等各个领域。随着航空航天和尖端武器的发展，钛合金铸件得到越来越多的应用。尤其是近年来钛精密铸造技术的发展，使得批量铸造生产一些结构复杂的装备零件成为可能。采用这一近净成形技术可以提高材料利用率，缩短生产周期，使装备零件的制造成本大大降低。目前我国航空航天工业的钛铸件80%以上采用 Ti-6Al-4V(TC4)合金［1－4］。

相对于其他高强工程材料，钛合金的弹性模量低，约为钢的1/2，一般在110～125 GPa之间，使得按照刚度设计的结构件比按强度设计的零件要显得厚大笨重一些。而对于细长和薄壁零件，由于钛合金刚性差，在使用过程中容易变形，因此如何提高钛合金的综合性能是研究者一直关心的问题。一般来讲，合金的弹性模量主要与合金成分和相组成有关。对于一种合金材料，只有经合金化后能形成显著性能差异的第二相时，弹性模量才会有较明显的变化。研究表明，合金中形成化合物如TiB、TiC及Ti3Al时，可明显提高弹性模量;此外，α稳定元素含量和α相体积分数增加，也能提高弹性模量。由于B元素在钛合金中主要以 TiB相的形式存在，而TiB相的弹性模量高达350～550 GPa，因此其存在于钛合金中能显著提高钛合金的弹性模量。添加微量B元素将传统钛合金铸件晶粒尺寸细化一个数量级，人们发现向传统钛合金中加入少量的B，其显微组织及相关性能都会产生重大变化。首先，晶粒得以细化，强度和刚度都提高了，这就有可能研发出新型且经济适用的加工工艺，提升传统钛合金的性能［5－8］。

本研究主要对TC4/B钛合金铸棒的组织和性能进行考察，期望该材料能够获得较为广泛的应用。

2 实验

实验所用原材料为海绵钛、铝豆、纯钒、纯硼粉、钛箔。将这些原料按一定比例混合压制成电极块，配制出含B 0.2%、0.5%、1.0%的钛基复合材料。为保证材料成分均匀，在感应熔炼炉中熔炼1次，在非自耗真空电弧熔炼炉中，采用电磁搅拌熔炼，冷却后翻转合金铸锭，重熔，反复熔炼4次。之后采用紫铜模具进行ZTC4/TiB铸棒浇铸。从铸棒上线切割φ8 mm×10 mm试样，用于显微组织分析;线切割φ8 mm×40 mm试样，用于弹性模量和拉伸性能测试。对铸棒进行热等静压处理，制度为:温度920～930℃，氩气压力110～120 MPa，氩气纯度为99.995%，时间为2～3 h。在热等静压处理后的铸棒上取样进行室温拉伸性能检测。

3 结果与讨论

3.1 B对TC4/B钛合金铸棒弹性模量的影响

表l列出了TC4/B钛合金铸棒的弹性模量随B含量的变化。由表1可以看出，未添加B元素的铸态TC4钛合金的弹性模量为108 GPa，添加B元素后铸态TC4钛合金的弹性模量明显增大，弹性模量超过120 GPa，提高了15.7%～34.3%。这是由于生成了TiB增强相。随着B元素添加量的增加，TC4钛合金铸棒的弹性模量呈现先提高再降低的现象，升高和降低的幅度分别为20 GPa和15 GPa。B元素添加量为0.5%时，TC4钛合金铸棒的弹性模量达到最高值145 GPa。

表1 TC4/B钛合金铸棒弹性模量Table 1 Elastic modulus of as-cast TC4/B titanium bar

3.2 B对TC4/B钛合金组织及断口形貌的影响

B元素含量对TC4钛合金铸态显微组织的影响如图1所示。可以看出，显微组织由片层α、晶界β及第二相(TiB)组成，在Ti基体上析出大量第二相(TiB)并聚集在晶界上呈链状分布，随B含量增加，第二相的体积分数明显增加。由图1a、c、e可以看出，添加的B元素越多，显微组织细化效果越明显，当B含量为0.2%时(图1b)，晶粒内部α形态为又长又粗大板条状，当B含量为0.5%时(图1d)，晶粒内部α形态细化为短粗板条，当B含量为1.0%时(图1f)，晶粒内部α形态细化为针状和细长板条。添加B元素不仅能够细化TC4钛合金的晶粒，而且还能细化晶粒内部片层α的尺寸［9］。

图1 不同B含量的TC4/B钛合金铸棒显微组织Fig.1 Microstructures of as－cast TC4/B titanium bar and its variation with B content

TC4/B钛合金铸棒室温拉伸宏观和微观断口形貌如图2所示。从宏观断口(图2a、c)上可以看到，断口表面平整，都无明显颈缩现象，宏观断面上呈沿晶断裂，可见二次裂纹，断裂起源位置不明显，边缘是与拉伸轴线约成45°方向的剪切唇;而图2e断面更平坦一些，可以看到一些小空洞，无二次裂纹。从微观组织(图2b、d)来看，整个断口上有明显的撕裂棱，图2b断面上有大小不等的韧窝且韧窝较深，图2d韧窝较浅，断面成沿晶断裂，并伴有沿晶二次裂纹，为典型的延性沿晶断裂。图2f可以看出，断面有解理小平面，还可以看到大量的长条状断裂平面。经对比分析发现，这些长条状断面与合金显微组织中片层状α相对应，可见断裂是沿片层状α相进行的。但图2f中也有大量的浅韧窝存在，为混合型断裂［10－12］。

图2 TC4/B钛合金铸棒室温拉伸断口形貌Fig.2 SEM images of fracture surface of as－cast TC4/B titanium bar

3.3 B对热等静压态TC4/B钛合金性能的影响

TC4/B钛合金铸棒经热等静压处理后的室温力学性能见2。由表2可以看出，随着B元素添加量的增加，TC4钛合金铸棒的抗拉强度明显提高;B元素添加量为0.2%时，抗拉强度为995 MPa，B元素添加量为0.5%时，抗拉强度为1045 MPa，提高了5%;B元素添加量增加到1.0%时，抗拉强度为1205 MPa，提高了21.1%。同时，屈服强度变化趋势与抗拉强度相同，提高幅度约为19.7%。而延伸率与断面收缩率的变化与强度相反。随着B元素添加量的增加，TC4/B钛合金铸棒的延伸率逐渐降低，在B元素添加量由0.2%增加到0.5%时，延伸率和断面收缩率分别约降低9.3%和19.4%。当B元素添加量为1.0%时，延伸率有很大降低，降低了65.1%，断面收缩率也降低了60.2%。综上所述，随着B元素添加量的增加，增强相提高了合金强度，也大大降低了其塑性，并且，随着添加量的增加这种影响越来越大。塑性降低主要是因为B含量继续增大时，TiB相颗粒的体积分数也增大，脆硬的TiB相聚集在晶界处，抵消了晶粒细化的效果，降低了合金的塑性［9］。