Ti-600合金蠕变性能及硅对其蠕变性能的影响

白保良，曾 光，戚运莲，洪 权，朱梅生

(西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

0 引言

Ti-600合金名义成分为Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.5Mo-0.4Si-0.1Y，是西北有色金属研究院研发的一种可在600℃使用的近α型高温钛合金［1－3］，主要用做先进发动机的压气机轮盘和叶片，其使用环境要求合金具有较高的蠕变抗力及较小的蠕变塑性应变［4］。蠕变通常是指物体在低于屈服强度的恒定应力作用下，应变随着时间的延长而增长的流变现象。研究表明，限制高温钛合金发展与应用的主要障碍是600℃高温环境下钛合金蠕变抗力的急剧下降，不足以满足发动机等零部件对合金材料的要求［2，5］。

Si是高温钛合金重要的添加元素之一，适宜的添加量为0～0.5%［6］，一般固溶于合金中或是以化合物的形式存在，前者产生的固溶强化作用对合金蠕变性能的提高有很大贡献。高温钛合金中主要存在两种六方结构的硅化物，一种是S1型的Ti5Si3，另一种是S2型的Ti6Si3［3］。加入Sn、Zr等合金元素时，它们将置换S1和S2型硅化物中部分Ti或Si元素，形成晶体结构相同、晶格常数略有差异的新S1或S2型硅化物［7］。一直以来，关于高温钛合金中硅化物的析出特点、Si对合金蠕变性能的影响等问题的研究从未中断过。对600℃高温钛合金Ti60的研究表明，合金中添加0.2%(质量分数)左右的Si后，椭球形的硅化物不连续、弥散地析出于β相或α/β相界上，对位错运动产生阻碍作用，使得合金的蠕变抗力大大提高［8］。而Ti-600合金的蠕变研究主要集中在600℃蠕变100 h后合金的残余变形上［5］，对蠕变行为以及Si对合金蠕变性能的影响较少涉及。

因此，重点研究了经固溶+时效处理的Ti-600合金在3种温度、5种应力下的蠕变性能，并分析Si对合金蠕变行为的影响。

1 实验

实验采用二次熔炼的 φ420 mm Ti-600合金铸锭，经β相区开坯锻造后，在两相区轧制获得直径为16 mm的棒材。在Ti-600合金棒材上切取工作直径为5 mm，标距长度为50 mm的蠕变试样进行固溶+时效处理(1020℃ ×1 h/AC+650℃ ×8 h/AC)。

在RD-2型高温蠕变试验机上进行蠕变实验，实验温度分别为550、600、650℃，蠕变应力分别为150、200、250、300、350 MPa。测量 Ti-600合金试样的蠕变曲线并对其蠕变行为进行分析。

从蠕变实验后的试样上沿轴向切取厚度为0.3 mm的薄片，将薄片机械研磨至40～50 μm，采用双喷电解装置进行电解抛光获得透射电镜样品。电解液为体积比为1∶10∶6的高氯酸、甲醇、正丁醇混合液，温度≤－30℃，电压为50 V。采用JEM200CX型透射电镜(TEM)观察蠕变实验后Ti-600合金试样的显微组织。

2 结果与讨论

2.1 不同温度和应力下Ti-600合金的蠕变激活能

根据蠕变理论，稳态蠕变速率是反映材料蠕变行为的特征量，其数值可以根据蠕变曲线的斜率和试样的标距长度计算得出［9］。表1和表2分别示出了Ti-600合金在300 MPa、不同温度下的稳态蠕变速率以及在600℃和650℃、不同应力下的稳态蠕变速率。表1、表2的数据表明，在蠕变应力相同时，Ti-600合金的稳态蠕变速率随温度的升高而增大;而在蠕变温度相同时，稳态蠕变速率则随蠕变应力的增加而增大。从表2中还可以看出，蠕变应力高达350 MPa时，在600℃和650℃下，Ti-600合金均具有较低的稳态蠕变速率，分别为3.72×10－7s－1和9.19 ×10－6s－1，表明合金具有较好的抗蠕变性能。

表1 Ti-600合金在300 MPa、不同温度下的稳态蠕变速率Table 1 The steady creep rate of Ti-600 alloy at different temperatures with the stress of 300 MPa

表2 不同温度、应力下Ti-600合金的稳态蠕变速率Table 2 The steady creep rate of Ti-600 alloy with different temperatures and stresses

蠕变激活能是反映蠕变机理的重要参数之一。当应力不变时，蠕变激活能的计算公式可表述为［10］:

测定某一恒定应力下，温度T1、T2时的稳态蠕变速率后，便可以按照式(1)计算得到合金的蠕变激活能，结果如图1及表3所示。由图1可知，实验温度为 600～650℃，应力为 150、200、250、300、350 MPa时，固溶+时效处理后Ti-600合金试样的蠕变激活能 Q150MPa为 332.7 kJ·mol－1，Q200MPa为 489 kJ·mol－1，Q250MPa为 536.8 kJ·mol－1，Q300MPa为574.6 kJ·mol－1，Q350MPa为 429.6 kJ·mol－1。采用同样方法，按照式(1)可以计算出应力为300 MPa，实验温度为550～650℃下Ti-600合金的蠕变激活能Q，结果如图表3所示。从表3可以看出，实验温度为550～600℃，蠕变激活能 Q550～600℃为417.7 kJ·mol－1;实验温度为 600～650℃，蠕变激活能Q600～650℃为 574.6 kJ·mol－1。

图1 600～650℃、不同应力下Ti-600合金的蠕变激活能Fig.1 Activation energy of Ti-600 alloy with different stresses at 600～650℃

表3 550～650℃、300 MPa下Ti-600合金的蠕变激活能Table 3 Activation energy of Ti-600 alloy at 550～650℃with the stress of 300 MPa

由文献可知，Ti-6Al-4V合金在500～600℃，蠕变应力为97～472 MPa时，Q为415 kJ·mol－1;IMI 834合金在600～700℃，蠕变应力为150～500 MPa 时，Q 为 514 kJ·mol－1［11］。本实验研究结果说明，与IMI 834和Ti-6Al-4V合金相似，Ti-600合金也具有较大的蠕变激活能，表明该合金具有较好的抗蠕变性能。

2.2 Si元素对Ti-600合金蠕变性能的影响

600℃、150 MPa蠕变实验后Ti-600合金中析出的硅化物粒子的形貌、衍射花样及其标定如图2所示。从透射电镜照片中可以清晰地看出硅化物的形貌与析出位置，同时可以观察到Ti-600合金是由片层状的α相、β相以及颗粒状硅化物组成的，其中衬度较浅的粗片层为α相，夹在α片层之间衬度较深的细片层为β相。硅化物基本都在β片层上或α/β相界面处呈线形排列析出;而在α相中，硅化物析出量很少。从透射电镜照片还可以看出，硅化物呈点状或椭球状，其尺寸约为0.03～0.3 μm，如图2a所示。对蠕变实验后试样中的硅化物进行了电子衍射分析，如图2b所示。标定结果表明，Ti-600合金中的硅化物为S2型(TiZr)6Si3化合物。由文献［3］可知，这种硅化物的晶格常数约为:a=0.698 nm，c=0.368 nm。

图2 600℃、150 MPa蠕变后Ti-600合金试样的TEM形貌及衍射花样Fig.2 TEM morphology and diffraction pattern of Ti-600 alloy crept at 600℃with the stress of 150 MPa

650℃蠕变后Ti-600合金内硅化物与位错的形貌如图3所示。透射电镜观察表明，蠕变实验后，有如图3a所示的β相界变宽的现象，这表明Ti-600合金在高温长时蠕变过程中，发生了β→α+硅化物的分解反应，在α片层界面上沉淀析出的硅化物(如图3b箭头所示)成为位错越过α片层的有力障碍，阻碍位错的滑移。这是因为位错对Si有吸引作用，在吸引力作用下，固溶状态的Si偏聚于位错处形成柯氏气团，气团运动速度低于位错运动速度，能够强烈阻碍位错运动，起到钉扎位错的作用，结果使合金的蠕变抗力得到了提高。通常认为，只有均匀分布的硅化物才能有效地阻碍位错的滑移，而Ti-600合金内细小的硅化物基本上都是在β相中弥散析出的，如图2a所示，因此合金的晶界和相界得以强化，合金的蠕变性能得到提高。

综上所述，硅化物可以钉扎位错、阻碍位错的滑移，使Ti-600合金表现出很高的蠕变激活能，从而使其具有较好的蠕变抗力。这与图1的实验数据相吻合，也与张振祺等人的研究结果［12］一致。

图3 650℃、200 MPa蠕变后Ti-600合金试样的TEM形貌Fig.3 TEM morphologies of Ti-600 alloy crept at 650℃with the stress of 200 MPa

3 结论

(1)在蠕变温度为550～650℃，应力为150～350 MPa条件下，Ti-600合金具有较小的稳态蠕变速率。当蠕变应力高达350 MPa时，蠕变温度为600℃和650℃下，Ti-600合金的稳态蠕变速率分别为3.72 ×10－7s－1和 9.19 ×10－6s－1。

(2)3种温度、5种应力下的蠕变实验表明，Ti-600合金具有较大的蠕变激活能，蠕变激活能最高可达 574.6 kJ·mol－1，最低为 332.7 kJ·mol－1。

(3)蠕变实验后，Ti-600合金内析出了S2型(TiZr)6Si3硅化物，硅化物能够钉扎位错、阻碍位错运动，使得Ti-600合金具有较高的蠕变抗力。

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