铸态Ti-20Zr-20Al 钛合金动态压缩力学性能与断裂机制研究①

邓丽萍， 汪冰峰，， 刘若愚， 张晓泳， 樊 凯， 冯抗屯， 谢 静， 王海鹏， 雷家峰

(1.中南大学 材料科学与工程学院,湖南 长沙410083； 2.中南大学 粉末冶金国家重点实验室,湖南 长沙410083； 3.湖南金天钛业科技有限公司,湖南 常德413000；4.中航飞机起落架有限公司,湖南长沙410200；5.中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司,四川德阳618000；6.西安三角防务有限公司,陕西 西安710089； 7.中国科学院金属研究所,辽宁 沈阳110016)

钛合金具有低密度、高强度、耐腐蚀和抗冲击性等优异性能,被广泛应用于汽车和航空航天等领域,其中钛铝合金是制造发动机涡轮叶片等的理想材料［1-3］。涡轮叶片等在服役过程中不可避免受到冲击载荷的作用［4］。 研究钛合金在不同应变率下的力学性能［5］,了解其在高应变率下的变形和破坏机理［6］,不仅可以为进一步改善合金性能提供参考,而且可以拓展钛合金的应用范围。 本文研究了Ti-20Zr-20Al 钛合金在动态加载下的微观组织、力学性能及断裂机制,可为抗冲击新型钛合金的工程化制备及应用提供理论及技术支撑。

1 实 验

1.1 实验材料

实验原料采用工业级纯度的海绵钛(Ti)、海绵锆(Zr)和99.9%纯铝(Al)。 首先按照合金中各元素的熔点和含量对金属原料进行合理布料,将原料混合物压制成短棒状的电极块,然后将这些棒状电极块焊接成自耗电弧炉的电极。 在真空自耗电弧炉中抽真空进行熔炼,得到Ф180 mm 的钛合金铸锭。 合金化学成分(质量分数,%)为Ti-20Zr-20Al。 为确保合金成分的均匀性,取尺寸为Ф40 mm × 30 mm 的铸态样品在1 000 ℃下保温10 h,空冷,得到实验材料。

1.2 实验方法

采用Rigaku D/MAX-2500 衍射仪(XRD)检测样品相结构。 利用POLYVER-MET 光学显微镜(OM)观察经过粗磨、精磨、抛光和腐蚀处理的Ti-20Zr-20Al 合金材料的微观组织,腐蚀剂为5 mL HF+15 mL HNO3+80 mL H2O。 在JXA-8230 电子探针显微分析仪(EPMA)上对相成分进行分析。

用线切割法切取尺寸Ф6 mm × 7.2 mm 圆柱体合金样品进行动态压缩实验。 动态加载实验装置为分离式霍普金森压杆(SHPB)。 采用Quanta 200 扫描电子显微镜(SEM)观察碎片的断口形貌。

2 实验结果与讨论

2.1 微观形貌

图1 为均匀态合金样品的X 射线图谱。 由图1 可知,Ti-20Zr-20Al 合金由Zr、TiAl 和Ti3Al 相组成。

图1 Ti-20Zr-20Al 合金的X 射线图谱

Ti-20Zr-20Al 合金的微观组织如图2 所示,其中合金EPMA 分析结果如表1 所示。 由图2 可见,Ti-20Zr-20Al 合金由尺寸为300 ～600 μm 的粗大晶粒组成,其中区域1 为Zr 基体相,区域2 为呈V 字形或三角形排列的针状TiAl/Ti3Al 相,区域3 为富含Zr 的偏析相。结果与图1 实验结果相吻合。

图2 Ti-20Zr-20Al 合金的微观组织

表1 Ti-20Zr-20Al 合金的EPMA 分析结果（原子分数）/%

2.2 动态力学性能

对Ti-20Zr-20Al 合金进行动态压缩试验,得到其在应变率为800、1 250、1 650 s-1时的真应力-应变曲线如图3 所示。 由图3 可以看出,Ti-20Zr-20Al 合金的应力-应变曲线呈现先弹性段上升、后塑性屈服直至失效的力学响应阶段。

图3 Ti-20Zr-20Al 合金的真应力-应变曲线

抗压强度和失效应变随应变率变化情况见表2。从表2 可以看出,随着应变率增加,Ti-20Zr-20Al 合金的动态力学性能如强度、塑性等都显示出了不同程度的强化效应。

表2 Ti-20Zr-20Al 合金的动态力学性能

2.3 断裂机制

图4 为Ti-20Zr-20Al 合金在不同应变率下压缩后的断口形貌。 从图4 可以看出,不同应变率下的断口均呈现大面积的脆性断裂解理面。 Ti-20Zr-20Al 合金的断裂机制为解理断裂。 解理裂纹主要在塑性相Zr 相中形核,滑移过程中受到脆性相TiAl/Ti3Al 相的阻碍,沿相界面向不同方向扩展产生了河流状花样,解理痕是脆性相TiAl/Ti3Al 相在压应力作用下形成的断裂形貌。 随着应变率增加,产生了更多的微观裂纹且裂纹之间的相互作用显著增强；解理棱的长度减小,分布更密集。 裂纹的形成和扩展消耗了大量能量,随着应变率提高,更多微观裂纹形成,Ti-20Zr-20Al 合金的动态强度增大。

图4 不同应变率下的断口形貌

2.4 动态破碎特性分析

文献［7］基于能量守恒提出了关于碎片尺度的计算公式:

式中s 为平均粒径,μm；ρ 为材料密度,g/cm3；˙ε 为应变率,s-1；Gc为断裂能,N/m。

考虑到材料的动态破碎是一个涉及裂纹成核、扩展以及相互作用等动态机制的复杂过程,文献［8］建立了材料破碎的动力学模型:

式中E 为弹性模量,MPa；σc为抗压强度,MPa；c为弹性波速,m/s,c=。 Ti-20Zr-20Al 合金的密度为4.4 g/cm3。 由应力-应变曲线计算可得,E=226 000 MPa,Gc=242 N/m。

对动态加载下断裂合金试样进行回收,如图5 所示。 对试样断裂后的碎片进行分类和统计,结果如表3 所示。 由表3 可知,随着应变率增加,碎片总数增大,平均粒径逐渐减小,破坏所需的能量增大,这符合能量守恒定律。

图5 不同应变率下的合金碎片回收样本

表3 不同应变率下合金碎片尺寸

将实验获得的合金参数代入(1)和(2)式中,获得了无量纲化的Grady 和DID 合金破碎尺寸模型如图6所示。 由图6 可知,DID 模型比较吻合脆性材料的碎片尺度特性,而Grady 模型显著高估了碎片尺寸,这是它忽略了微裂纹的扩张等机制,使得碎裂的物理过程被过分简化。

图6 理论模型与实际碎片尺寸对比

3 结 论

1) Ti-20Zr-20Al 合金由尺寸为300 ～600 μm 的粗大晶粒组成,基体为Zr 相,在基体上析出了大量呈V字形或三角形排列的针状TiAl/Ti3Al 相。

2) 随着应变率增加,Ti-20Zr-20Al 合金抗压强度提高,失效应变明显增加,即高应变率载荷条件下Ti-20Zr-20Al 合金的强度和塑性都表现出了显著的强化效应。

3) Ti-20Zr-20Al 合金的断裂机制为解理断裂。

4) 随着应变率增加,试样压缩断裂后,碎片总数增大,平均粒径逐渐减小。 Grady 模型与实验结果的偏差较大,而DID 模型考虑到了裂纹成核和扩展对材料破碎过程的影响,计算结果与合金的实际破碎尺寸比较吻合。