Mo对高Nb-TiAl基合金微观组织的影响

王艳晶,谷艳鹏，高恩志,李　菲，王文东

(沈阳航空航天大学 材料科学与工程学院，沈阳 110136)



Mo对高Nb-TiAl基合金微观组织的影响

王艳晶,谷艳鹏，高恩志,李菲，王文东

(沈阳航空航天大学 材料科学与工程学院，沈阳 110136)

在高Nb-TiAl合金的基础上添加Mo、B合金元素，熔炼了2种合金。利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)结合能谱分析(EDS)、X射线衍射(XRD)等手段研究了2种合金铸态和热处理后的显微组织。研究表明，Ti-45Al-7Nb-0.2B-1Mo合金的铸态组织为近层片组织，热处理后组织为全层片组织；该合金的铸态组织中包含γ相、α2相、B2相及多种钼铝化合物相，热处理后合金中B2相消失，形成了富Nb的钼化物，Mo细化了层片间距。

近层片组织；Mo微合金化；热处理

高Nb-TiAl基合金不但具有TiAl基合金所具有的优点，如低密度、高熔点、较高的比强度、高比刚度、高弹性模量、良好的阻燃能力、抗蠕变性等，同时由于加入高熔点难熔金属Nb元素，增强了合金的高温强度、高温抗蠕变性和高温抗氧化性能，使其成为航天、航空及汽车用发动机耐热结构件极具竞争力的高温结构材料[1-5]。金属间化合物固有的室温脆性和900 ℃以上的抗氧化性差，限制其在高温条件下的应用,通过合金化和热处理等手段可以提高合金的延展性和抗氧化性[6]。B可以细化晶粒，细化层片团，从而改善高Nb-TiAl合金片层组织的室温塑性[7]；Mo可以提高细晶合金的塑性和强度，改善合金的抗氧化性[8]。本文以名义合金成分Ti-45Al-7Nb-0.2B为基，研究Mo的加入对Ti-45Al-7Nb-0.2B合金的铸态及热处理组织的影响。

1　实验材料与方法

本实验利用真空非自耗电弧炉熔炼名义成分为Ti-45Al-7Nb-0.2B和Ti-45Al-7Nb-0.2B-1Mo(at.%)合金，采用的原料为纯钛棒(99wt.%)、铝粒(99.9wt.%)、钼条、铌条、硼粒。每一个合金铸锭都需要进行多次熔炼，确保合金成分的均匀性。为了保证实验的可比性，用电火花线切割并在每个铸锭的相同位置进行取样。将试样用酒精清洗干净后放入干燥器中干燥备用，对样品进行真空封装后在1 300 ℃/6 h+900 ℃/30 min/AC的条件下均匀化热处理。将均匀化热处理后的试样用砂纸磨至2000号后进行抛光，腐蚀液为3%HF+6%HNO3的水溶液，采用金相显微镜及配有能谱仪(EDS)的扫描电镜(SEM)对合金进行显微组织观察，利用X射线衍射仪(XRD)进行相组成检测。

2　结果与分析

2.1合金铸态显微组织分析

图1(a)和1(c)分别为铸态Ti-45Al-7Nb-0.2B合金的光学和扫描电镜下的显微组织，该组织为近全层片组织，主要由较粗大的层片团(α2 /γ)构成，还含有少量的γ相，层片间距较大，层片断续，层片团内和边界附近存在一些粒状和条状析出相。图1(b)和1(d)为铸态的Ti-45Al-7Nb-0.2B-1Mo合金的光学和扫描电镜下的显微组织，该组织仍为近全层片组织，层片团存在多种取向，层片连续，层片间距变小，层片较细，大部分晶界处呈锯齿状。与Ti-45Al-7Nb-0.2B合金(图1(a))相比，层片团和层片间距的尺寸均得到细化。XRD分析表明(图2)，该铸态组织中包括γ相、α2相、B2相、MoAl5相、Mo3Al8相和MoO3相。

图1　高Nb-TiAl合金铸态显微组织

Mo和Nb是同晶型β相稳定元素[9-10]，添加Mo和Nb，使其按照β相凝固路线的凝固过程完成，可以防止组织中出现明显的各向异性，而各向异性的存在会导致TiAl合金的不同部位的性能差异明显[11]。β相稳定元素的添加可能会产生B2相，B2相是由于凝固时β→α相变过程中，未分解的β相随着温度降低进行B2有序化形成的。一般来说，β(B2)相分布在晶界处，形成β(B2)相偏析，降低合金的室温塑性和抗蠕变性能[12]，必须通过热处理的手段加以消除。合金中的Mo和B元素均对细化层片团起作用，B形成的弥散硼化物提供异质形核核心，固溶的B原子阻碍层片侧向长大，这些都起到了细化的作用[13]，而Mo形成的MoAl5相、Mo3Al8相和MoO3相熔点较高，在凝固过程中领先析出，同样可以起到异质形核核心的作用。

图2　铸态Ti-45Al-7Nb-0.2B-Mo合金的X射线衍射谱

2.2热处理对合金组织的影响

图3(a)和图3(c)为经过1 300 ℃/6 h+900 ℃/30 min/AC均匀化处理的Ti-45Al-7Nb-0.2B合金的显微组织，该组织为由细小的层片团(α2/γ)构成和少量的等轴γ相构成的近全层片组织。与铸态组织相比，此热处理工艺后合金的层片团尺寸减小，且层片间距变细，层片较为完整，少量的层片团内由与原层片团的生长方向一致及不一致的小层片团构成的；大量的层片团内部片层生长方向基本一致，相邻不同晶粒彼此之间的片层生长方向不同，边界变得平滑，锯齿状边界基本消失。图3(b)和图3(d)为经过1 300 ℃/6 h+900 ℃/30 min/AC均匀化处理后Ti-45Al-7Nb-0.2B-Mo合金的组织，该组织为由大量的尺寸较大的层片团(α2/γ)构成的全片层组织，大多相邻层片的片层取向一致，与不含Mo合金相比，层片团尺寸变粗，层片团内的层片不如图3(a)那样明晰，实验过程中该试样经过充分腐蚀后在所用电镜中仍然显示不出明显的层片。在文献[14]中出现了类似的情况，该文作者利用高倍数电镜观察到这类组织为较细的层片，本实验中由于实验条件限制未达到需要的高倍数，但是根据文献[14]中的结果可以推断，本文中含Mo合金层片得到了细化；层片团间边界处多数呈锯齿状，少数呈较平滑状态，并且晶界处有析出物。图4是Ti-45Al-8Nb-0.2B-Mo合金经1 300 ℃/6 h+900 ℃/30 min/AC热处理后组织的背散射图像，可明显看到在晶内和晶界处分布着的白色粒状和条状析出相。EDS分析表明，晶界上白色发亮的长条状和短棒状相为富Nb的钼化物，晶界和晶粒内白色粒状的析出相为富Nb的硼化物。XRD分析表明(图5)，热处理后含Mo合金中的β相消失，与铸态合金相比，又生成了一种新的钼铝化合物Mo5Al22。

通过TiAl二元相图可知，经过1 300 ℃/6 h+900 ℃/30 min/AC均匀化处理的名义成分为Ti-45Al-7Nb-0.2B合金为近全片层组织，可以说明该温度处于Tα附近；Ti-45Al-7Nb-0.2B-1Mo合金的组织都为全片层组织，说明该温度高于Tα。由此可知，少量Mo的加入可能会降低高Nb-TiAl合金的Tα转变温度。当Ti-45Al-7Nb-0.2B合金在1 300 ℃保温时，由于此温度处在接近Tα在α+γ两相区，将发生α2+γ→α转变和γ相的长大。由于铸态合金中缺陷较多，缺陷处能量低，形成的α数量会较多，而γ相形成较少，铸态组织中γ相在保温过程中会长大，因此组织中γ相数量少。当合金冷却至900 ℃保温及随后冷却时，将发生α→α+γ→α2+γ转变，形成α2/γ层片团，γ相冷却过程中得到保留，因此最终形成近片层组织，且其片层团较铸态组织细。而Ti-45Al-7Nb-0.2B-1Mo合金处在Tα以上保温时，将发生α+γ→α转变，由于此时γ消失，及其容易造成α相的合并长大，从而冷却后续冷时经过α→α+γ→α2+γ转变形成的(α2+γ)层片团较粗大。由上述分析可知，含Mo合金的层片团较细，这可能是由于晶界上分布的长条状和短棒状富Nb的钼化物相和白色粒状的富Nb的硼化物相，阻碍了α晶粒的长大，从而形成细小的片层团组织[15-17]。而且晶内存在的钼化物和硼化物在α→α2+γ相变过程中，有助于提高γ相形核率，促进片层组织形成。另外在长时间的保温过程中，β相逐渐从其周围的γ相和α2/γ片层团中吸收Al而排出Ti，在β相和γ相以及β相和α2/γ片层团的周围发生扩散相变转化形成α，当原β相中Al含量增加到α转变成分就会形成厚度细小的α2/γ片层团[18]。

图3　经1 300 ℃/6 h+900 ℃/30 min/AC热处理组织的金相形貌

图4　Ti-45Al-7Nb-0.2B-Mo合金经1 300 ℃/6 h+900 ℃/30 min/AC热处理后SEM背散射电子像

图5　经1 300 ℃/6 h+900 ℃/30 min/AC热处理后的Ti-45Al-7Nb-0.2B-Mo合金的X射线衍射谱

3　结论

(1)Ti-45Al-7Nb-0.2B-1Mo合金的铸态组织为近层片组织，经过1 300 ℃/6 h+900 ℃/30 min/AC均匀化热处理后的组织为全层片组织，与Ti-45Al-7Nb-0.2B合金相比，合金层片得到细化。

(2)Ti-45Al-7Nb-0.2B-1Mo合金的铸态组织中除了含有α2和γ相，还含有多种钼化物和β相；经过1 300 ℃/6 h+900 ℃/30 min/AC均匀化热处理后，伴随着合金层片间距变细、β相的消失，形成了富Nb的钼化物。

(3)合金化元素Mo在高Nb-TiAl基合金中以富Nb的钼铝化合物形式存在，分布于合金层片团的晶界上以及晶粒内部。

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(责任编辑：吴萍英文审校：刘兴民)

Influence of element Mo on microstructure of TiAl based alloy with high Nb content

WANG Yan-jing,GU Yan-peng,GAO En-zhi,LI Fei,WANG Wen-dong

(College of Materials Science and Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

Two kinds of alloys were melt by adding Mo and B elements into the TiAl based intermetallic compound with high Nb concent． The as-cast and heat treated microstructure of this two kinds of alloys were investigated by the optical microscope(OM),scanning electronic microscope(SEM),energy dispersive spectroscope(EDS)and X-ray diffraction(XRD).The results show that the as-cast Ti-45Al-7Nb-0.2B-1Mo alloy has approximately lamellar microstructure and heat treated alloy has full lamellar microstructure.The as-cast microstructure of this alloy contained γ phase,α2phase,β(B2)and a variety of molybdenum compound phase.β(B2)phase disappeared after heat treatment and Nb-rich Molybdenum compound formed.Lamellar spacing decreases when element Mo is added into TiAl alloys with high Nb concent.

near lamellar microstructure;Mo micro-alloying;heat treatment

2095-1248(2016)03-0047-05

2015-10-08

国家自然科学基金(项目编号：51405310)

王艳晶(1973-)，女，辽宁沈阳人，副教授，博士，主要研究方向：金属间化合物，E-mail：wangyj2006@163.com。

TG146.2

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2016.03.007