TZM 合金与纯Mo 性能对比研究

付静波，杨秦莉，庄 飞，张 晓

(金堆城钼业股份有限公司技术中心，陕西 西安 710077)

0 前 言

钼具有高熔点，低膨胀系数，良好的导电、导热性、极好的抗热震性能以及耐热疲劳性能，被广泛用作高温材料。但是纯钼的再结晶温度低、脆性大和强度低等缺点，使其应用受到了很大的限制。为了满足应用需求，人们开发了众多的钼合金。其中，TZM 合金是目前广泛应用的高温合金之一。TZM合金是含0.4% ～0.55%Ti，0.06% ～0.12%Zr 和0.01% ～0.04%C 的钼基合金，由于少量精细弥散的颗粒添加剂阻止钼在高温条件下晶粒长大，这样就显著提高了再结晶温度［1－3］，使其机械性能在室温和高温都大为改善［4－6］，因而使得TZM 合金在高温领域得到了广泛的应用［7］。

工业上生产TZM 合金的两种常用方法为真空电弧熔炼法和粉末冶金法［8］。用粉末冶金法生产TZM 合金可以节省真空自耗电弧炉、大型挤压机以及相应的高温加热炉等大型设备，具有工艺简化、生产周期短、生产成本低等优点，目前正在逐步推广。本文采用粉末冶金法制备了TZM合金及纯钼板坯，经过轧制得到相应的板材，对比研究了TZM 合金和纯钼的微观组织、室温与高温力学性能和再结晶行为，以期为TZM 合金的推广应用提供参考。

1 试样制备及加工

采用FMo－l 高纯钼粉与工业纯TiH2、ZrH2粉及纯碳粉按比例混合均匀后经模压压制成型，然后烧结成厚度为12 mm 的板坯，密度为9.85/cm3，板坯化学成分见表1。为对比起见，还采用相同工艺制备了纯Mo 板坯。TZM 合金与纯Mo 烧结板坯经热轧、温轧成2 mm 的薄板，总变形量为83%。板材在轧制过程中换向一次。对轧制后的板材分别在850 ℃，950 ℃，1 050 ℃，1 150 ℃，1 250 ℃，1 350 ℃，1 450 ℃，1 600 ℃，1 700 ℃，1 900 ℃进行真空退火，保温时间为1 h。

表1 TZM 合金板坯的化学成分

2 试验过程

材料的室温拉伸性能在万能试验机上进行，检测标准为GB/T 228－2002;材料的高温拉伸试验在超高温真空拉伸试验机上进行，检测标准为GB/T4338－2006;材料的硬度测试在洛氏硬度试验机上进行，检测标准为GB/T4340－84;材料的金相组织观察在LEICAMEF4M 型金相显微镜下进行;在HITACHI S－3400 型扫描电镜上观察合金组织以及拉伸断口形貌，采用EDAX 能谱仪分析第二相的成分。

3 结果与讨论

3.1 TZM 合金与纯Mo 的金相组织

图1 分别给出了TZM 合金与纯Mo 烧结坯金相组织，从图中可见，TZM 合金烧结坯晶粒为30 μm左右(图1a);纯钼烧结坯晶粒为40 μm 左右(图1b)。

图1 TZM 合金与纯钼烧结板坯的金相组织

3.2 TZM 合金与纯Mo 板材的室温及高温拉伸力学性能

表2 为TZM 合金与纯Mo 板材室温与高温下的拉伸力学性能。从表2 可以看出，TZM 合金的室温拉伸强度明显高于纯Mo，但延伸率明显低于纯Mo;而1 200 ℃高温下纯Mo 的拉伸强度已经大幅度下降，TZM 合金的拉伸强度仍保持在较高水平。这主要是因为TZM 合金中弥散分布的第二相阻碍位错的运动，产生显著的弥散强化效应而导致合金强度的提高;同时这些弥散分布的第二相对位错具有钉扎作用，导致合金形变能力下降，使得合金的塑性显著降低。在1 200 ℃下，纯Mo 发生了明显的再结晶，而TZM 合金的再结晶尚未开始(下文将详细叙述)，这使得纯Mo 较TZM 合金的强度下降更为明显，同时高温下纯Mo 较TZM 合金的塑性均得到改善。

表2 TZM 合金与纯Mo 板材的室温与高温拉伸力学性能

3.3 板材的拉伸断口形貌

图2 给出了TZM 合金与纯Mo 板材在室温及1 200 ℃高温下的拉伸断口形貌，图3 给出了TZM合金高温下拉伸断口中细小颗粒物的能谱分析。

图2 TZM 合金与纯Mo 板材的拉伸断口形貌

从图2 中可以看出，TZM 合金室温拉伸试样的断口形貌为一系列小裂面(每个晶粒的解理面)所构成，基本属于解理型断裂［9］，所以其延伸率较低;在1 200 ℃高温下，TZM 合金的断口形貌发生了变化，虽然还存在撕裂岭，但出现了很多韧窝，它们类似解理型断裂，拉伸结果表现为具有一定的塑性变形，延伸率增加。在韧窝间分布着一些第二相颗粒，能谱分析(见图3)表明，这些第二相为TiC 与ZrC。纯Mo 的室温拉伸试样的断口形貌为一系列相互连接的小韧窝组成，呈韧性变形的特征，拉伸结果表现为延伸率较高。纯Mo 的高温拉伸断口形貌呈人字形山脊样花纹，有明显的韧窝存在，因此表现出明显的韧性变形［10］，延伸率很高。这也说明表1 所列的拉伸力学性能测试结果与图2 所示的断口形貌是完全一致的。

图3 TZM 合金高温拉伸断口能谱分析

图4 板材硬度与退火温度关系曲线

3.4 板材的再结晶行为

测试TZM 合金与纯Mo 板材试样的硬度，绘出硬度与退火温度的关系曲线(见图4)，从中可以看出TZM 合金板材的起始再结晶温度大致为1 350 ℃，终了再结晶温度为1 700 ℃;纯钼板材的起始再结晶温度为850 ℃，终了再结晶温度为1 250 ℃左右。与纯Mo 相比，TZM 合金的起始与终了再结晶温度分别提高了500 ℃与450 ℃。

图5 不同退火温度下TZM 合金板材的金相组织

进一步的金相组织观察(见图5)可以更好地分析TZM 合金的再结晶行为。从图5 中可以看出，TZM 合金经950 ℃、1 150 ℃退火后的显微组织没有明显变化，仍保持轧制态的纤维状组织，当退火温度为1 300 ℃时，发生明显的回复现象，但仍能看到残留的加工态组织，表明再结晶尚未开始;当退火温度为1 450 ℃时，加工态组织已基本转变为不规则的晶粒，说明再结晶已经发生，当退火温度达到1 700 ℃时，合金显微组织全部转变为长大的等轴晶，再结晶过程基本完成。这说明TZM 合金不同温度退火后的显微组织改变与其硬度变化(见图4)是完全一致的。TZM 合金再结晶温度高的原因是合金弥散分布着第二相颗粒，这些颗粒物对位错与亚晶界具有较强的钉扎作用，能使亚结构稳定，在再结晶前的回复过程中，阻碍位错运动和亚晶界合并，保持了较高的位错密度，延缓了再结晶核心的形成;在再结晶核心形成后长大的过程中，稳定的亚组织使得晶界迁移更加困难，从而使得再结晶核心的进一步长大受阻。因而使得TZM 合金再结晶温度显著高于纯Mo。

4 结 论

(1)TZM 合金比纯Mo 具有更高的室温与高温强度。

(2)TZM 合金比纯钼具有更高的再结晶温度，TZM 合金的起始再结晶温度和终了再结晶温度分别比纯Mo 提高了500 ℃与450 ℃。

(3)TZM 合金比纯钼性能高的原因是细小弥散分布的第二相TiC、ZrC 的存在。

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