Mo、V、Cr对钛合金β相的合金化效应

葛 鹏，吴 欢，赵永庆

(西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)



Mo、V、Cr对钛合金β相的合金化效应

葛 鹏，吴 欢，赵永庆

(西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

为了研究钛合金中常用β合金元素Mo、V、Cr等对β相合金化的影响，通过设计制备一系列不同元素含量的Ti-Mo、Ti-V、Ti-Cr二元β型钛合金，分析了含单一合金化元素的β型钛合金的显微组织、硬度及室温拉伸性能。结果发现：随着合金中β稳定元素含量的增加，所有二元合金的晶格常数及晶粒尺寸都呈减小的趋势，其中元素Cr具有最强烈的减小晶格常数效应，而元素Mo对晶粒细化的效果最显著。成分为Ti-xV、Ti-xCr的β相的拉伸强度随元素含量增加的变化规律与硬度变化相似，先减小后增加。Ti-xMo拉伸强度则随元素含量的增加强度升高。元素Cr对β相的强化效果高于Mo和V。

钛合金；合金元素；β相；强化

1 前 言

钛合金由于具有比强度高、耐蚀、抗疲劳等优良的综合性能，成为航空、航天等高技术领域的关键材料。目前已经有十几种牌号的结构钛合金在飞行器关键部件的制造中获得应用，典型合金如用量最大的Ti-6Al-4V及高强结构钛合金Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe及近几年才获得应用的Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe等[1-5]。航空飞行器的发展对高强结构钛合金的韧性、疲劳性能及淬透性提出了越来越高的要求，对于现有钛合金组织与性能关系及通过控制组织提高合金性能已经有大量的研究[6-20]，仍然需要继续开发具有更高性能的新型高强韧结构钛合金。由于α和β相是高强钛合金中的两个基本相，因此非常有必要掌握常用合金元素对两种不同结构相的强化效果，从而得出合金元素对钛合金整体强度和韧性性能影响规律。Mo、V、Cr是高强结构钛合金最常用的合金化元素，已有研究人员进行了这些元素对钛合金中α相或整体强化的研究，并获得了有意义的结果[21-24]。但对于单一β相强化的研究较少。为了保证合金的淬透性及强度效果，新型的高强结构钛合金中β稳定元素的含量一般较高，强化处理后仍然保留较多的β相，因此非常有必要进行关于合金化元素对钛合金β相强化效果的研究。

2 实验材料及方法

根据常规钛合金β相中V、Mo、Cr合金元素可能存在的含量，选取了Ti18V、Ti25V、Ti35V、Ti15Mo、Ti20Mo、Ti30Mo、Ti10Cr、Ti15Cr、Ti20Cr合金作为二元β合金的研究对象。试验用材料为根据设计成分制备的铸锭经锻造后得到的锻坯。原材料选用零级海绵钛，Mo、V、Cr分别以纯钼粉、电解钒、电解铬的形式加入。在真空自耗电弧炉中经三次熔炼得到成品铸锭。针对不同的合金，经过三个火次的热变形锻成70×30×L mm的扁方坯，以保证锻后显微组织整体均匀。将依照合金的相变点选取相变点以上退火1h后水淬的方式获得所需的β相。金相试样腐蚀剂为10%氢氟酸:30%硝酸:60%水。

选用维氏硬度仪对不同合金的硬度进行测试，压头压力为10kg。研究过程中选用的测试手段如表1所示。

3 结果与讨论

图1为各成分的β钛合金经相变点以上保温、水淬后的金相组织。从图1看到，成分为Ti-xV、Ti-xMo、Ti-xCr的合金的晶粒尺寸随着V、Mo和Cr的增加而减小。添加Mo元素则能够显著减小合金的晶粒尺寸，而添加V或Cr元素作用则不明显。成分为Ti-xCr的合金尺寸仅略大于Ti-xV。

图1 不同成分β钛合金的金相照片：(a)Ti-18V,(b)Ti-25V,(c)Ti-35V,(d)Ti-15Mo,(e)Ti-20Mo,(f)Ti-30Mo,(g)Ti-10Cr,(h)Ti-15Cr,(i)Ti-20CrFig.1 Metallographs of different beta titanium alloys：(a)Ti-18V,(b)Ti-25V,(c)Ti-35V,(d)Ti-15Mo,(e)Ti-20Mo,(f)Ti-30Mo,(g)Ti-10Cr,(h)Ti-15Cr,(i)Ti-20Cr

从图2看到，随着V、Mo、Cr含量的增加，晶格常数c单调降低。Ti-xCr的晶格常数c最小，Ti-xV的晶格常数c其次，Ti-xMo的晶格常数c最大。Ti-xCr和Ti-xV的c值相差较少，而Ti-xMo与Ti-xCr和Ti-xV的c值差别较大。

图2 V、Mo、Cr含量对β相晶格常数c的影响Fig.2 Effect of Mo,V,and Cr content on the lattice constant c of β phase

同样由于硬度和强度有一定的对应关系，且硬度测试排除了晶粒尺寸对性能的影响，更能够真实地反映合金元素对β相的作用，对上述成分的β相进行了硬度测试。图3展示的是Mo、V、Cr元素含量变化对β相硬度的影响。可以看出，随着合金元素Cr、V的增加，相的硬度先降低后升高；随着合金元素Mo的增加，相的硬度先升高后降低。成分为Ti-xCr的β相硬度高于成分为Ti-xMo的β相硬度。对图3中数据拟合后得到合金含量Me与硬度值HV的定量关系如式(1)～(3)所示。

HV-Cr =563-31.4Cr+1.04Cr2

(1)

HV-Mo =112+20.5Mo-0.5Mo2

(2)

HV-V =1388-82.7V+1.46V2

(3)

图3 Mo、V、Cr元素含量对β相硬度的影响Fig.3 Effect of Mo,V and Cr content on the hardness of β phase

对上述具有全β相结构的β合金进行了拉伸性能测试，如图4所示。

对于采用零级海绵钛熔炼加工后生产出的工业纯钛，其退火后的抗拉强度只有300MPa左右。从图4看到，相比纯钛，钛中大量β稳定元素的加入在获得β相结构的同时，强度也显著增加。随β稳定元素加入的不同，合金强度能够提高270～700MPa，同时还拥有较优的拉伸塑性和断面收缩率。

图4的结果表明，Ti-xCr、Ti-xV、Ti-xMo的拉伸强度曲线的相对位置与硬度测试的结果(图3)是相似的。其中，Ti-xCr、Ti-xV随合金元素Cr、V的增加其拉伸强度的变化趋势与硬度的测试结果也是相似的。Ti-xMo随合金元素的增加拉伸强度单调上升，与硬度测试中Ti-30Mo的硬度迅速下降有所差别。各成分β相的拉伸塑性无一例外地随β稳定元素的增加单调下降。将图4中的数据拟合后，得到元素含量和力学性能的定量关系，如式(4)～(9)。

Rm =1241-42.5Cr+1.34Cr2

(4)

Rm=543+10.6Mo

(5)

Rm=1923-94.96V+1.662V2

(6)

A=34.8-0.288V

(7)

A=55-6.7Cr+0.26Cr2

(8)

A=168-11.6Mo+0.22Mo2

(9)

图4 β稳定元素含量对成分为Ti-xMe的β相力学性能的影响Fig.4 Effect of beta element content on tensile properties of Ti-xMe alloy with single beta phase

在硬度测试排除了相的晶粒尺寸对性能的影响的情况下，Ti-xMo对相的强化作用和Ti-xCr、Ti-xV强化作用的相关性与拉伸测试中表现出的非常相似。但图4中与Ti-xMo有关的拉伸强度的变化是随着Mo含量的增加线性增加的。对于β相而言，这可能与相的结构有更密切的关系。从图1看到，Ti-xMo的晶粒尺寸远小于其他成份的β相，且随着Mo含量的增多，晶粒尺寸不断减小。和其他成份的β相组织相比，明显小的晶粒尺寸将对拉伸强度有重要的影响。因此，对于Ti-xMo而言，其拉伸强度变化曲线形状和排除组织尺寸干扰的硬度变化曲线形状有所不同。

将成分为Ti-xMe的拉伸强度和硬度的相关性绘入图5，同时将相关数据进行拟合，获得β相拉伸强度和硬度的定量关系如式(10)～(12)。从图5看到，硬度和强度关系直线性最好的是Ti-xV和Ti-xCr，偏差较大的是Ti-xMo。

Rm-HV =302+1.2V

(10)

Rm-HV=1590-2.7Mo

(11)

Rm-HV =469+1.33Cr

(12)

图5 具有单一β相的Ti-xMe合金的HV与Rm的关系Fig.5 Relationship of HV and Rm for Ti-xMe alloys with single beta phase

4 结 论

钛合金中合金化元素对β相的强化效应是钛合金强韧化设计及制备的关键基础。本文通过设计合金化元素含量不同的简单二元系β钛合金，分析了Mo、V、Cr对钛合金β相合金化的基本影响规律，获得如下结论：

(1) 对于成分为Ti-xMe(Me：Mo、V、Cr)的β钛合金， Ti-xCr二元合金具有相对较高的硬度，表现出高的强化效果；

(2) 成分为Ti-xV、Ti-xMo、Ti-xCr的β钛合金的晶粒尺寸随着V、Mo和Cr的增加而减小。添加Mo元素则能够显著减小晶粒尺寸。而添加V或Cr元素作用则不明显。成分为Ti-xCr的β晶粒的尺寸仅略大于Ti-xV；

(3) 成分为Ti-xV、Ti-xCr的β相的拉伸强度随元素含量增加的变化规律与硬度变化相似，都有一个最低点。Ti-xMo则表现为随元素含量的增加强度升高。

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(编辑 惠 琼)

Alloying Effect of Mo,V and Cr on Titanium Alloy Beta Phase

GE Peng,WU Huan,ZHAO Yongqing

( Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi’an 710016,China)

In order to study the influence of usual beta elements Mo,V,Cr in titanium alloy on alloying effect of beta phase,a series of binary beta titanium alloys such as Ti-Mo,Ti-V and Ti-Cr were designed and prepared. The microstructure,hardness and room temperature tensile property of beta titanium alloys containing single beta element were tested. Results showed that: With the increase of the content of beta alloying elements,the lattice constant and grain size of all binary alloys decrease; the element Cr has the most strongly reduced lattice constant effect,while the effect of element Mo on grain refinement is most notable; The tensile strength and hardness ofβphase of Ti-xV and Ti-xCr alloys firstly decrease,then increase with the content of beta elements increasing,and the tensile strength ofβphase of Ti-xMo alloy increases linearly; The strengthening effect of element Cr for beta phase is higher than that of Mo and V.

titanium alloy; alloying elements;βphase; strengthening effect

2015-04-28

陕西省重点科技创新团队计划(钛合金研发创新团队)(2012KCT-23)； 科技部“973”项目(2007CB613805)

葛 鹏，男，1976年生，博士， Email：gepeng-1@163.com

10.7502/j.issn.1674-3962.2016.10.06

TG146.23

A

1674-3962(2016)10-0795-04