Ti-Fe-Cu合金的制备与性能

许丽洁，李维火，胡超

(安徽工业大学材料科学与工程学院,安徽马鞍山243002)

Ti-Fe-Cu合金的制备与性能

许丽洁，李维火，胡超

(安徽工业大学材料科学与工程学院,安徽马鞍山243002)

采用铜模吸铸法制备直径为3，6mm的Ti64Fe18Cu18,Ti68Fe18Cu16,Ti70Fe18Cu12和Ti74Fe18Cu84种Ti-Fe-Cu合金圆棒，通过X射线衍射仪和光学显微镜观察该合金样品的微观组织结构，并对其进行压缩实验和抗腐蚀性能测试，研究合金样品的力学性能、抗氧化性能及耐腐蚀性能。结果表明：制备的Ti-Fe-Cu合金相主要是由立方cp2 Ti(Fe，Cu)金属间化合物和bccβTi固溶体组成；随着Cu含量的减少，Ti-Fe-Cu合金硬度和室温塑性逐渐增大，且最大压缩塑可达18%；此合金具有良好的抗氧化和抗腐蚀性能，与传统的Ti-6Al-4V合金相比，其制造成本更低，性能更优异。

Ti-Fe-Cu合金；固溶强化；耐腐蚀性

钛及钛合金因其优异的综合力学性能在航天、航空、船舶、化工等行业得到高度重视和广泛应用[1-2]。有人把钛称作“时髦金属”，也有人因其在工业上发挥的重要作用及未来的发展趋势，将其称为第三金属或未来的钢铁[3-4]。生产低成本、高强度的钛合金是当今钛合金发展的趋势之一，因此，近年来一些研究集中于低成本、高性能新型钛合金的开发[5-6]，以使钛合金进入具有巨大市场潜力的民用工业领域。

在Ti基体中加入Al和V(如Ti-6A l-4V)等β稳定型元素可以达到固溶强化作用，获得β钛合金。Al含量的增加虽能提高合金的强度，却增加了合金的脆性，对塑性并未改善；V是钛合金的“软”强化剂[7]，能提高强度，但是不能改善塑性，且价格昂贵。雷力明等[8]、曹春晓等[9]在Ti中加入Cr，Mo等β稳定型元素，达到了显著的固溶强化作用。Fe和Cu都是β相强化元素，主要通过固溶强化和弥散强化的途径来稳定β相，有时也会发生加工硬化；在高温下，Fe形成稳定的化合物TiFe2，而Cu一部分以固溶状态存在，另一部分则形成Ti2Cu或者TiCu2化合物[10-11]；此外，这2种金属都是富有资源，价格较便宜。为此，笔者在Ti基体中加入Fe和Cu元素，试图制备出低成本、高强度的Ti合金体系。

1 实验原料与方法

将纯度为99.9%(质量分数)的Ti，Fe和Cu按一定的原子数分数Ti64Fe18Cu18，Ti68Fe18Cu14，Ti70Fe18Cu12和Ti74Fe18Cu8进行配料，并对其进行编号，分别为1#，2#，3#和4#。

利用WK-II型非自耗真空电弧炉制备试样。在高纯氩气保护下，通过电弧熔炼成合金锭，并反复熔炼四、五次使成分均匀化，再通过铜模快速冷却吸铸出直径为3，6mm的圆棒试样。通过德国的BRUCKD 8Advance(XRD)和Leica DM 4000M金相显微镜表征所制备试样的微观组织结构，使用Instron-5500R型电子万能材料试验机测试其力学性能。通过电阻炉和温度控制器在加热温度为650℃的条件下研究其抗氧化能力。设定腐蚀电流为1.045×10-6mA，腐蚀电压为-0.373 8 V，采用电化学分析仪在质量分数为3.5%的NaCl溶液中对制备的合金试样进行抗腐蚀性能测试。

2 实验结果与讨论

2.1 Ti-Fe-Cu合金的X射线衍射分析

试样的X射线衍射分析结果如图1。由图1可知，Ti-Fe-Cu合金的相组成主要由立方cp2 Ti(Fe,Cu)金属间化合物和无序的cl2bccβTi固溶体组成，其衍射峰的第一强度峰和第二强度峰分别为cl2βTi和cp2 Ti(Fe,Cu)金属间化合物，其他相衍射峰比例较少。

分析图1可知：Ti-Fe-Cu合金属于β相类型合金，其中cl2βTi和cp2 Ti(Fe,Cu)金属间化合物含量较多，是主要的强化相；随着Cu含量的减少，cl2βTi的峰稍微向右偏移且峰值强度增大，而cp2 Ti(Fe,Cu)金属间化合物的峰值强度降低，表明合金中βTi的含量随着铜含量的减少而增加；在Ti-Fe-Cu合金中可以观察到tp10结构为TiCu的形成，并含有少量的Cu0.8Fe0.2Ti相，这些复杂的相导致了试样的脆性。

2.2 Ti-Fe-Cu合金的组织

图2为Ti-Fe-Cu试样在放大1 000倍下的光学金相照片，图中较亮的区域是单相β相，黑色是被腐蚀的晶界。这些组织是Ti(Fe,Cu)金属间化合物和体心立方的βTi固溶体。由图2可看出，随着铜含量的减少，合金组织逐渐由片状变成树突状，最后变成了等轴状，其大小为5～10μm，且铜含量越少，合金中等轴组织越细小，分布越均匀。Ti(Fe,Cu)金属间化合物的弥散分布是钛合金获得高硬度的一个重要原因。

图2 试样的金相照片Fig.2 M etallograph of specimens

2.3 Ti-Fe-Cu合金的力学性能

2.3.1 硬度通过HV-1000小型负荷维氏硬度计对试样进行显微硬度分析，测得数据与Ti-6A l-4V比较的结果见表1。由表1可知，Ti-Fe-Cu合金的硬度和屈服强度明显高于Ti-6A l-4V合金。结合以上分析，随着铜含量的减少，合金的晶粒尺寸逐渐减小，硬度值因此增大。由于金属材料的硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定，所以硬度和强度的变化趋势相似，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也越高。

2.3.2 压缩性能图3为Ti-Fe-Cu合金试样的室温压缩应力-应变(σ-ε)曲线。由图3可知：4种试样的Ti-Fe-Cu合金的室温压缩曲线呈现出相同的特征，分为两个阶段：第一阶段是弹性变形阶段，应力σ与应变ε成正比关系，其应变硬化率K(dσ/dε)值较大；第二阶段是加工硬化阶段，当载荷增加到一定值后，材料产生明显塑性变形，随着塑性变形进行，变形抗力不断增加，载荷达到最大值。由图3还可知，Ti-Fe-Cu合金在室温下的压缩过

表1 试样的维氏硬度及屈服强度测试结果Tab.1 Hardnessand strength of specimens

程中，4种合金试样均具有很高的屈服强度(＞1.6GPa)，且随着铜含量的减少，试样的屈服强度略有降低，而塑性变形量却在大幅增加，其中4#试样的塑性变形量高达18%，表现了很好的应变硬化。结合图1，2可知，当铜含量减少时，Ti-Fe-Cu合金的晶粒尺寸减小，而且合金中的cl2βTi固溶体的含量在增加，单位体积内晶粒数量增多，变形时，各晶粒间相互牵制增强，因此塑性变形抗力增大，强度也会增加，塑性也较好。

图3 试样的σ-ε曲线Fig.3 Trueσ-εcurvesof specimens

2.4 Ti-Fe-Cu合金的氧化与腐蚀性能

2.4.1 氧化增重图4为4#试样的氧化增重曲线。由图4可见：在前30m in内，质量急剧下降，这是由于金属表面的油污和水汽等杂质放入电阻炉后挥发、熔化所致；3 h后，试样开始氧化增重，且氧化增重量较小，氧化速度较慢，表明Ti-Fe-Cu合金的抗高温氧化性能良好。

2.4.2 电化学腐蚀图5为4#试样的电化学腐蚀曲线。由图5可见，曲线分为3个区域：AB为活化区，即金属的活性溶解区，在这个区间，金属进行正常的阳极溶解，溶解速度按塔菲尔规律增长；BC区为钛合金的活化钝化区，金属表面状态处于不稳定状态，B点对应的电压为致钝电压，即为腐蚀电压；CD区域为钝化区，此区域电流只有很小变化，C点的电位为维钝电位，对应的电流为维钝电流。维钝电流密度正是通过金属的少量溶解生成相应的氧化物来修补破化的钝化膜。

图4 4#试样的氧化增重曲线Fig.4 Oxidation weightgain curve of specim en 4#

图5 4#试样的电化学腐蚀曲线Fig.5 Electrochem ical corrosion curve of specimen 4#

综上可知，在相同实验条件下，Ti-Fe-Cu合金较传统的Ti-6A l-4V合金的腐蚀电流较小，而腐蚀电压相似，表明制备的Ti-Fe-Cu合金在较小的电流下就可以达到钝化状态。这是由于Fe和Cu溶于Ti基体中形成cp2 Ti-Fe-Cu金属间化合物，提高了合金的电极电位，从而提高其耐蚀性。

3 结论

1)利用铜模铸造法制备了4种Ti-Fe-Cu合金，其合金相主要是由立方cp2 Ti-Fe-Cu金属间化合物和bccβTi固溶体组成。

2)随Cu含量的减少，Ti-Fe-Cu合金的强度和塑性逐渐增大，最大压缩塑性达到18%。

3)与传统的Ti-6Al-4V合金相比，Ti-Fe-Cu合金主要为β相结构，合金制造成本更低，而且具有较好的抗氧化和耐腐蚀性能。

[1]钱九红.航空航天用新型钛合金的研究进展及其应用[J].稀有金属,2000,24(3):218-223.

[2]赵永庆.国内钛合金近几年学术研究进展[J].钛工业进展,2003,21(8):35-39.

[3]曹春晓.钛合金在大型运输机上的应用[J].稀有金属快报,2006,25(1):17-21.

[4]商国强,朱知寿,常辉,等.超高强度钛合金研究进展[J].稀有金属,2011,35(2):286-291.

[5]付艳艳,宋月清，惠松晓，等.航空用钛合金的研究与应用进展[J].稀有金属,2006,30(6):850-856.

[6]张小明.钛合金锻件的适用领域与锻造技术[J].稀有金属块报,2008,27(1):42-43.

[7]Kim YW.Effectsofmicrostructureon the deformation and fractureofγ-TiAlalloys[J].Mater SciEng,1995,192:519-533.

[8]雷力明,黄旭,孙福生,等.Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C合金的组织、性能及其变形机制[J].中国有色金属学报,2003,13(4):939-942.

[9]曹春晓,李臻熙,孙福生.Ti-48A l合金片层组织的连续粗化机制[J].材料热处理学报，2001,22(1):2-6.

[10]贺文文,苏世宇,斯松华.Ti对激光熔覆铁基合金涂层组织和耐磨性的影响[J].安徽工业大学学报：自然科学版,2012, 29(4):327-330.

[11]陈慧琴,林好转.TC11钛合金高温流变行为及组织演变[J].航空材料学报,2007,27(3):1-5.

责任编辑：何莉

Preparation and Propertiesof High Strength Ti-Fe-Cu Alloys

XU Lijie，LIWeihuo,HU Chao
(SchoolofMaterials Scienceand Engineering,AnhuiUniversity of Technology,Ma'anshan 243002,China)

Ti64Fe18Cu18,Ti68Fe18Cu16,Ti70Fe18Cu12and Ti74Fe18Cu8alloyswith a diameterof 3 and 6mm were prepared by casting coppermould.Phase composition andm icro-structurewere studied by OM and XRD.Then,mechanical properties,inoxidability and corrosion resistance were investigated by compression tests and the electrochem ical corrosion.The resultsshow that the Ti-Fe-Cu alloysareorganized primarily by the intermetallic compound of Ti(Fe, Cu)andβ-Tibase disordered solid solution;Andwith theCu content reduced,room temperature compression plasticity increases,which reaches18%maximum;Thesealloyshavegood inoxidability and corrosion resistance.Compared with conventional Ti-6A l-4V alloy,Ti-Fe-Cu alloys have notonly lowermanufacturing costs,butalso superior performance.

Ti-Fe-Cu alloys;solution strength;corrosion resistance

TG146.23

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2014.02.006

1671-7872(2014)02-0132-04

2013-07-17

国家自然科学基金项目(51071001)

许丽洁(1985-)，女，河南许昌人，硕士生，主要从事亚稳态材料的开发与研究。

李维火(1974-)，男，安徽宣城人，教授，主要从事亚稳态材料的开发与研究。