应变率对等温锻造TiAl基合金脆韧转变特性的影响

吴玉程(1962-),男，安徽合肥人,博士,合肥工业大学教授,博士生导师.

应变率对等温锻造TiAl基合金脆韧转变特性的影响

昝祥1,杨政1,欧阳力1,贺跃辉2,吴玉程1

(1.合肥工业大学 材料科学与工程学院,安徽 合肥230009; 2.中南大学 粉末冶金国家重点实验室,湖南 长沙410083)

摘要:文章对等温锻造近片层Ti-47Al-2Nb-2Cr-0.4(W+Mo)(NL TiAl)合金在不同温度和应变率下实施了准静态拉伸力学性能测试,并对其力学性能和脆韧转变特性的应变率相关性进行了研究，结果表明，随着应变率的提高,脆韧转变温度(BDTT)随之上升；对1×10-3s-1不同温度变形后的试件进行了断口SEM分析和TEM分析，结果表明,随温度的不断上升,NL TiAl的断口形貌由穿晶断裂到沿晶断裂最终演化为塑性断裂，BDTT以下NL TiAl的主要变形机制为孪生机制,而BDTT以上其主要变形机制为位错机制。

关键词:TiAl金属间化合物;力学性能;韧脆转变;微观组织

收稿日期：2014-02-13；修回日期：2014-03-26

基金项目：国家自然科学基金资助项目(10902106)

作者简介：昝祥(1979-),男，安徽淮南人,博士,合肥工业大学副研究员,硕士生导师;

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.01.006

中图分类号:TB35文献标识码：A

Effectofstrainrateonbrittle-ductiletransitioncharacteristics

ofisothermallyforgedTiAlbasedalloys

ZANXiang1,YANG Zheng1,OUYANG Li1,HE Yue-hui2,WU Yu-cheng1

(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China; 2.StateKeyLaboratoryofPowderMetallurgy,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)

Abstract:The quasi-static tensile tests of isothermally forged nearly lamellar structure of Ti-47Al-2Nb-2Cr-0.4(W+Mo)(NL TiAl) alloys were conducted at different ranges of temperature and strain rate. The effect of strain rate on the mechanical properties and brittle-ductile transition characteristics of the alloys was discussed. The results show that the brittle-ductile transition temperature(BDTT) rises with the increase of strain rate. The specimens deformed at the strain rate of 1×10-3s-1 were examined by SEM and TEM. The results show that with the increase of temperature, the fracture mode of NL TiAl varies from transgranular fracture to intergranular fracture and eventually evolves into the plastic fracture. The deformation twining is the main deformation mode below BDTT temperature, while it changes to dislocation motion mode above the BDTT.

Keywords:TiAlintermetalliccompound;mechanicalproperty;brittle-ductiletransition;microstructure

0引言

TiAl金属间化合物因其较低的密度和较出色的高温特性使其成为潜在的高温结构材料,然而其较差的室温脆性严重地影响了其在工业上的使用[1]。TiAl的制备工艺及后续热处理工艺对其显微结构具有很大的影响。

近几十年来,有关TiAl的成分、制备工艺、微观组织及其力学行为的研究已广泛开展[2-3]。γ-TiAl晶格结构是面心四方(F.C.T.)结构,c/a≈1.02,其可能出现的位错类型有1/2〈110]、〈001]普通位错和1/2〈112]、〈011]超位错；其中〈001]位错只有在很高的温度下才出现[4]；1/2〈110]普通位错滑移和〈112〉{111}孪生剪切变形是两相TiAl中最常出现的变形机制[5-9]。

脆韧转变(BDT)行为是金属材料中一种常见的现象,是指随着温度的升高,材料韧性逐渐升高,相应断裂逐渐由脆性断裂向韧性断裂转变。通常两相TiAl基合金室温塑性变形不足2%,但在脆韧转变温度(BDTT)以上,材料塑性变形可达10%以上[8]。TiAl的BDTT因其组织不同而略有差别,且随着加载条件的转变也会发生相应的变化[4]。TiAl的断裂行为与温度有着较大的相关性[10]。

由于TiAl合金脆性较大,其加工制备尤其是塑性加工工艺十分困难。

普通的塑性加工工艺无法制备TiAl合金,在塑性加工过程中非常容易开裂造成材料失效，包套锻和包套挤等工艺是解决其塑性加工难的工艺之一[11],然而这些工艺过程较为复杂,且不易获得较大尺寸的原材料。

近年来,热等静压(HIPsintering)及等温锻造的方式被引用到TiAl合金的制备中来[12]。此外,通过大变形量热压力加工的方式可得到均匀细小的组织,并消除铸造过程中在合金中产生的缺陷,从而获得力学性能稳定的锻坯；若配合后续热处理过程,可获得所需的显微组织[11-14]。

本文对等温锻造工艺制备的近片层态Ti-47Al-2Nb-2Cr-0.4(W+Mo)在不同温度和应变率下的力学性能、韧脆转变温度和变形机理进行研究,并通过相应的显微分析手段,研究了其断裂和韧脆转变前后显微组织的演化规律,揭示了应变率对TiAl基合金的力学性能和韧脆转变温度的影响。

1材料及实验方法

TiAl基合金成分为Ti-47Al-2Nb-2Cr-0.4(W+Mo),制备方法为:通过真空自耗电弧熔炼技术得到合金铸锭;再经过1 000 ℃等温锻造工艺得到锻坯;最后对获得的锻坯进行1 330 ℃保温4h随炉冷却的热处理,最终得到了如图1所示的近片层TiAl组织。

由图1可以看出,试验材料由大范围片层晶群和弥散分布于晶团边界的等轴晶粒构成。片层晶团尺寸约为300～400μm。

近片层TiAl组织的XRD衍射如图2所示,分析表明,该合金主要存在两相,即α2-Ti3Al相和γ-TiAl相。

用电火花线切割机切取准静态拉伸试样,几何尺寸如图3所示。

在MTS809材料试验机上对上述材料在室温至1 100 ℃下进行了应变率分别为10-4/s、10-3/s、5×10-3/s下的单向拉伸试验。

图1　近片层组织 Ti-47 Al-2 Nb-2 Cr-0.4( W+ Mo)的金相照片

2θ/(°)

图3　准静态试件几何尺寸示意图

用PhenomProX桌面型扫描电镜对上述试件断口进行显微分析,同时从拉伸试样均匀变形区切取3mm小圆片,利用电解双喷减薄仪制备TEM试样。

双喷电解液配方为甲醇、正丁醇、高氯酸的体积比为60∶35∶5;双喷温度、电流和电压分别为-20 ℃、60mA和50V。

TEM显微分析在JEOLJEM-2100F场发射透射电子显微镜上进行,加速电压为200kV。

2实验结果与讨论

2.1　材料力学性能及脆韧转变温度

鉴于本文主要研究应变率对NLTiAl韧脆转变温度的影响规律,因此相关的力学性能测试主要围绕在转变范围附近进行。不同温度和应变率加载条件下NLTiAl工程应力-应变曲线如图4所示。

图4　 NL TiAl不同应变率条件下不同温度的应力-应变曲线

由图4a可知,在10-4/s应变率加载下,750 ℃时材料塑性变形量低于2.5%,但温度到达850 ℃时,材料已经表现出了明显的塑性变形状态,其塑性变形达到6%左右,950 ℃以上材料塑性变形更是达到10%以上,因此可以认为,在10-4/s应变率加载下NLTiAl的BDTT应该为750～850 ℃之间。

由图4b可知,当应变率提高至10-3/s时,材料在850 ℃依然展现出脆性断裂特征,而温度达到950 ℃时发生了明显的软化特性,塑性应变可达14%,因此,在10-3/s应变率加载下其BDTT应该为850～950 ℃之间。

类似地,图4c中5×10-3/s应变率加载下其BDTT应该为1 000～1 050 ℃之间。

不同应变率下NLTiAl的BDTT如图5所示。

上述结果表明,准静态条件下,NLTiAl的BDTT随应变率的提高而升高,即BDTT存在正的应变率相关性。

图5　 NL TiAl脆韧转变温度的应变率相关性

2.2　断裂特征

拉伸断裂后的样品用肉眼直接观察发现,BDTT以下材料的断口没有发现明显的颈缩,断口较为平整,呈现出典型的脆性断裂特征。BDTT以上的准静态拉伸时间断口颈缩非常明显,表现为典型的塑性断裂特征。NLTiAl在不同温度10-3/s应变率加载条件下断口的SEM照片如图6所示。

由图6可以看出,随着温度的升高,材料的断裂由穿晶解理断裂逐步变为沿晶断裂,最后到塑性断裂(BDTT以上)的过程。室温变形条件下,断口整体较为平整,断裂是完全的穿晶解理断裂,不同片层间裂纹沿解理面跨越晶界扩展,形成了较为平整的断面;当温度升至350 ℃时,SEM照片中的A处出现了典型的分层特性,这是文献[10]提到的裂纹沿片层晶群界扩展形成的沿晶断裂组织,然而在图6的B处,仍然以穿晶断裂为主,可以认为350 ℃条件下NLTiAl的断裂为穿晶断裂和沿晶断裂的混合模式;当温度继续升高达到850 ℃时,断口立体感较强,与室温条件下平面感较强的断口形成鲜明对比,此时断口中出现大量的平整晶界,断裂模式以沿晶断裂为主;当温度升至1 050 ℃发生韧脆转变时,材料断口扫描电镜图片中出现大量韧窝,材料发生了塑性断裂。

图6　 NL TiAl不同温度准静态拉伸下的断口 SEM照片

2.3　 NL TiAl韧脆转变前后微观组织演化行为

NLTiAl未变形组织形貌图如图7所示。TEM显微组织分析表明,该合金的主要结构即片层晶群由γ相板条和α2相板条构成,γ/γ片层间距约为0.541μm；TEM衍射分析表明γ片层中夹杂少量 α2-TiAl相。

图7b中的衍射花样表明该图中γ-γ相晶界满足孪晶对称关系。

图7　 NL TiAl未变形组织

NLTiAl在0.001/s应变率下的显微组织如图8所示。由图8可以看出,无论在等轴γ晶粒内还是在片层γ晶粒内,发生韧脆转变前(850 ℃以下)NLTiAl的变形主要以孪生机制为主。在等轴γ晶粒内,细长的形变孪晶以特定夹角交叉;片层γ晶粒内的形变孪晶多以晶界倾斜一定角度出现,且通常终止于片层γ-γ边界或γ-α2相界。此外片层结构中的形变孪晶明显表现出了γ片层的位相相关性,即有的片层中形变孪晶较多,有的片层中形变孪晶较少甚至没有。当温度升至1 050 ℃时(BDTT以上),大量位错的出现表明该温度条件下的主要变形机制为位错机制,孪生机制成为次要补充机制(图8e和 图8f)。

大量位错的出现成为合金韧化、材料延伸率大幅增加的主要原因,而这一过程就是文献[15]提到的脆韧转变第1阶段(回复机制)。增多的位错结构,可能来自于随变形温度的提高晶内热激活作用下产生了更多的位错,也可能来自于被晶界钉扎的位错结构在高温条件下脱钉并向晶内扩展[16-17]。

图8　 NL TiAl 在0.001/ s应变率下的显微组织

3结论

NLTiAl的脆韧转变温度(BDTT)表现出了正的应变率相关性,随着应变率的升高,BDTT明显提高。

随着温度的升高,NLTiAl拉伸试件SEM断口表现为穿晶断裂逐步演化成沿晶断裂,直至BDTT以上呈现出塑性断裂机制。

NLTiAl脆韧转变温度以下,主要的变形机制是孪生机制。等轴晶内形变孪晶多平行或呈特定夹角交叉出现;片层晶内孪晶多倾斜于界面出现,并表现出一定的片层取向相关性。脆韧转变温度以上位错机制成为主要的变形机制,孪生机制成为次要的变形机制。

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(责任编辑胡亚敏)