Al、V元素对TiAl-V三元合金铸态组织的研究

杨慧敏栾敏杰王春艳王威宋美慧骆良顺

黑龙江工程学院材料与化学工程学院杨慧敏栾敏杰王春艳王威黑龙江省科学院高技术研究院宋美慧哈尔滨工业大学材料科学与工程学院骆良顺

摘要：本文利用高真空多功能电弧熔炼设备制备出Ti-Al-V三元合金钮扣锭，并对其进行了金相、扫描电镜组织分析和研究。

结果发现，在该熔炼条件下Ti-Al-V三元合金的宏观凝固组织为典型的柱状晶组织，其显微组织为典型的树枝晶。对于不同V含量的Ti-Al-V三元合金而言，V含量的加入并不能明显影响TiAl基合金的凝固路径。随着Al含量的增加，Ti-Al-V三元合金的凝固初生相由β相向α相演变。而且，随着V含量的增加，Ti-Al-V三元合金的硬度值会逐渐升高。但是当Al含量较高时，其硬度值增加的幅度减小。

关键词：TiAl-5Nb合金；Al含量；铸态组织；硬度；组织演化中图法分类号：TG146.4文献标识码：A文章编号：1

前言TiAl基合金以其较高的比强度、比模量及较好的高温性能等已成为一种急剧潜力的高温结构材料[1-4]。然而，TiAl基合金还存在着许多亟待解决的问题，如室温塑性、断裂韧性以及800°C以上的高温抗氧化性能等[5-7]。对此，材料科学工作者进行了大量的研究，其性能改善主要通过采用合金化、不同的热处理工艺等手段[7-9]。

由于合金化方法工艺简单、易于实现，被广大材料工作者用于改善TiAl基合金的综合力学性能。在众多合金化元素中，V具有较高的熔点、较好的塑性、有延展性、易焊接、传热性好、抗酸碱性腐蚀等，而且980℃时仍有足够的强度。V元素通过合金化的方法加入多种金属或合金中可显著提高该合金的强度、塑性等，常加入的合金有钛铝基、铜基、镍铜基合金等[10]。因此，在TiAl基合金添加V元素能明显改善合金的铸造性能。由于材料的性能对其组织具有密切的关系，因此，本研究为改善TiAl基合金的综合力学性能奠定了一定的实验和理论基础。

2实验材料和方法实验所用TiAl基合金的名义成分（原子分数；下同）为Ti-xAl-yV（x=44~54；y=0.5、1、2）。熔配合金所用原材料为零级海绵钛、纯度为99.99%的铝条和纯度为99.999%的钒粒。

采用非自耗电弧熔炼炉进行熔炼，合金锭约为40g。熔化前熔化室抽真空至10-3Pa，反充高纯氩气。每次熔化时间为约200s。

为了确保TiAl基合金钮扣锭的成分均匀，每个合金锭翻转重熔3次。每个试样的熔炼和冷却条件都是相同的。

用电火花线切割将钮扣锭沿其纵向从中间剖开，经砂布、水磨砂纸磨至2000号后抛光。用HF：HNO3：H2O为1：1：8的腐蚀液进行腐蚀处理后，用Olympus-BX51金相显微镜进行宏观组织的观察。用JEOL6510-A型扫描电子显微镜（SEM）进行其微观组织观察。

3实验结果与讨论3.1Ti-xAl-yV三元合金凝固组织的研究图1为V含量为0.5at.%时，不同Al含量的Ti-Al-V三元合金的显微组织。由图可见，当Al含量为44at.%时，该合金凝固组织为具有全片层的柱状晶组织；当Al含量大于44at.%时，其凝固组织则为树枝晶组织，并且随着Al含量的增加，其树枝晶组织形貌发生了明显的变化，其形态由具有四重对称的枝晶形态转变为具有六重对称的枝晶形态。

图2为V含量为1at.%时，不同Al含量的Ti-Al-V三元合金的显微组织。由图可知，当Al含量低于48at.%时，Ti-Al-V三元合金的凝固初生相为β相；当Al含量大于48at.%时，Ti-Al-V三元合金的凝固初生相为α相。也就是说，随着Al含量的增加，其凝固初生相由β相向α相转变。图2（e）中的白色区域为γ相区，随着Al含量的增加，γ相区的体积分数逐渐增加。

（a）Ti-44Al-0.5V合金（b）Ti-46Al-0.5V合金（c）Ti-48Al-0.5V合金（d）Ti-50Al-0.5V合金（e）Ti-52Al-0.5V合金（f）Ti-54Al-0.5V合金图1Ti-xAl-0.5V合金的显微组织图2为V含量为1at.%时，不同Al含量的Ti-Al-V三元合金的显微组织。由图可知，当Al含量低于48at.%时，Ti-Al-V三元合金的凝固初生相为β相；当Al含量大于48at.%时，Ti-Al-V三元合金的凝固初生相为α相。也就是说，随着Al含量的增加，其凝固初生相由β相向α相转变。图2（e）中的白色区域为γ相区，随着Al含量的增加，γ相区的体积分数逐渐增加。

（a）Ti-44Al-1V合金（b）Ti-46Al-1V合金（c）Ti-48Al-1V合金（d）Ti-50Al-1V合金（e）Ti-52Al-1V合金（f）Ti-54Al-1V合金图2Ti-xAl-1V合金的显微组织图3为V含量为2at.%时，不同Al含量的Ti-Al-V三元合金的显微组织。与图1和图2相比，可以看出合金的凝固组织没有发生明显的变化，但随着V含量的增加，能发现组织形貌越发清晰。通过对三种V含量的Ti-Al-V三元合金的显微组织进行对比发现，V元素的加入和V含量的增加对TiAl基合金的凝固路径并没有显著的影响。

图4是Ti-46Al-2V和Ti-52Al-2V合金的BSE像。由图可见，深灰色的基体上均匀分布着具有浅灰色的树枝晶。由图4（a）可见，除了深灰色相和浅灰色相外还存在着白色相。根据BSE成像原理可知，在Ti、Al和V三种元素中，V元素的原子序数最大，因此，在BSE图像中，含V相是比较亮的。因此，图4（a）亮色区域且成网状分布的相为含V相。

（a）Ti-46Al-2V（b）Ti-52Al-2V（c）Ti-52Al-2V图4Ti-xAl-2V（x=46，52）合金的SEM组织及能谱分析3.2Ti-xAl-yV三元合金的硬度研究图5为V含量分别为0.5at.%，1.0at.%，2.0at.%时，Ti-Al-V三元合金的硬度对比柱状图。从柱状图中可以看出，当V含量一定时，随着Al含量的增加，合金的硬度整体趋势呈下降趋势。

当V含量达到2at.%时，这种趋势更为明显，这主要是由于Al含量的增加导致其硬度值明显降低。但当Al含量增加到一定程度时，其硬度值下降幅度较小。

图5不同Al含量对Ti-Al-V三元合金硬度的影响图6为Al含量一定时，不同V含量的Ti-Al-V三元合金的硬度对比柱状图。由图可知，随着V含量的增加，Ti-Al-V三元合金的硬度值会逐渐升高。但是当Al含量较高时，其硬度值增加的幅度减小。由此可见，V元素的加入可以改善TiAl基合金力学性能。

图6不同V含量的Ti-Al-V三元合金的硬度对比柱状图4结论（1）通过对合金显微组织的分析，可以看出Ti-Al-V三元合金的凝固组织主要是树枝晶组织。

（2）随着Al含量的增加，合金的凝固组织从柱状晶转变为树枝晶，并且枝晶形貌越发明显。并且初生相由β相向α相转变。

（3）V元素的加入并不能改变TiAl合金的凝固组织。只恩能够影响合金的组织形态，使组织细化，并且随着V含量的增加，细化的效果越明显。

（4）随着V含量的增加，Ti-Al-V三元合金的硬度值会逐渐升高。但是当Al含量较高时，其硬度值增加的幅度减小。

参考文献：[1]GilbertHénaff，Anne-LiseGloanec.FatiguepropertiesofTiAlalloys.Intermetallics.2005，13（5）：543-558.[2]E.Donald，J.Larsen，StatusofinvestmentcastgammatitaniumaluminidesinUSA.MaterialsScienceandEngineering.1996，A213：128~133[3]S.Malinov，W.Sha.Applicationofartificialneuralnetworksformodellingcorrelationsintitaniumalloys.MaterialsScienceandEngineering.2004，A365（1-2）：202~211[4]I.Gurrappa.CharacterizationoftitaniumalloyTi-6Al-4Vforchemical，marineandindustrialapplications.MaterialsCharacterization.2003，51（2-3）：131~139[5]J.Lapin.CreepbehaviourofacastTiAl-basedalloyforindustrialapplications.Intermetallics.2006，14（2）：115~122[6]T.Noda.ApplicationofcastgammaTiAlforautomobiles.Intermetallics.1998，6（7-8）：709~713[7]Y.W.Kim，D.M.Dimiduk.ProceedingsofICETS’2000-ISAM[C].Beijing，2000，43-47.[8]Y.W.Kim.WprogressintheunderstandingofgammaTitaniumAluminides[J].JournaloftheMinerals，Metals&MaterialsSociety，1991，43：40-47.[9]J.P.Lin，X.J.Xu，Y.L.Wang，S.F.He，Y.Zhang，X.P.Song，G.L.Chen.HightemperaturedeformationbehaviorsofahighNbcontainingTiAlalloy.Intermetallics.2007，15（5-6）：668~674[10]莱茵斯C，皮特尔斯M.钛与钛合金[J].化学工业出版社，2005：124~138作者简介：杨慧敏（1979-），女，讲师，博士研究生，研究方向：高温结构材料基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目（No.12521445）