系列Mo-Ti-Zr材料组织性能研究

付静波，杨秦莉，赵 虎，王 娜，卜春阳，庄 飞

(金堆城钼业股份有限公司技术中心，陕西 西安 710077)

0 引 言

钼具有高熔点(2 620 ℃)、低热膨胀系数、高热导率、高耐磨性，以及高弹性模量和良好的耐腐蚀能力，但是由于其高的室温脆性和低的再结晶温度限制了其在高温领域的使用。Mo-Ti-Zr-C系TZM钼合金是以难熔金属钼为基体，添加少量合金元素组成的一种非常典型的高温钼合金，与纯Mo相比，TZM钼合金具有更高的再结晶温度(比纯钼高300～400 ℃)、更高的室温和高温力学性能，在1 400～2 000 ℃场合作为高温结构材料等具有很重要的用途，并正在航空航天、国防军工、原子核能、电子信息等尖端技术领域发挥越来越大的作用。如在航空航天和发动机中用作高温抗烧蚀材料和高温结构承载部件，火箭鼻锥、发动机喷管、飞行器前缘、方向舵、隔热屏、蜂窝结构等。在核能利用领域，TZM合金高的高温持久强度以及优良的抗中子辐射能力，使其在核能源设备上被广泛使用，如辐射罩、支撑架、热交换器、轨条，以及气体冷却反应堆的包套材料和堆芯结构材料等[1-5]。

随着航空、航天以及原子核能等前沿领域的发展，对钼金属的性能要求日趋苛刻，TZM合金已经不能完全满足上述领域需求[6-8]。因此，开发具有更高室温、高温力学性能的钼及钼合金，并拓展其应用领域成为当下钼研究工作者的重要任务。本研究是在常规TZM合金的基础上，采用粉末冶金方法制备出锆含量不同的Mo-Ti-Zr系列材料，并对其组织与性能进行了系统研究。

1 材料制备及加工

所用主要原料有高纯钼粉，纯度为99.5%的TiH2、ZrH2及纯碳粉等。将费氏粒度3 μm的高纯钼粉与粒度为10 μm 的TiH2、ZrH2以及纯碳粉等按比例混合均匀，经冷等静压压制成单重5 kg的压坯，压坯经1 980 ℃烧结，得到厚度为25 mm左右的烧结坯料，试验坯料对应的主要化学成分见表1。试验材料在1 300 ～1350 ℃下进行开坯，轧制得到4～5 mm板材。对轧制板材在1 200 ℃进行去应力退火处理，保温时间2 h。

表1 试验材料主要化学成分 %

2 试验过程

金相试样从烧结坯上截取，经电解抛光和化学腐蚀在LEICAMEF4M型金相显微镜下观察；在MTS810材料试验机上测试去应力态试验板材的室温拉伸性能；试验板材的高温拉伸试验在高温真空拉伸试验机上进行，所用标准为GB/ T4338-2006，检测温度为800 ℃；室温、高温拉伸断口形貌在HITACHI S-3400型扫描电镜上进行观察；材料的抗弯性能在万能材料试验机上进行，标准为GB/T 31967.2-2015。试验采用三点弯曲法进行测量，加载速率为1.0 mm/min。

3 结果与分析

3.1 金相显微组织

图1为试验材料烧结态金相组织。从图1可以看出，1#材料晶粒尺寸为10～20 μm(图1a)；2#材料相对1#材料晶粒尺寸略有减小(图1b)；3#、4#材料相对1#材料晶粒尺寸减小较为明显，大约为10～15 μm(图1c、图1d)；5#、6#材料相对1#材料晶粒尺寸减小最为明显，此时晶粒尺寸大约为5～10 μm(图1e、图1f)。

图1 试验材料烧结态金相照片

图2为试验材料烧结坯的硬度检测结果。从图2可以看出，1#材料烧结态的硬度最低，为HRA51.7，2#材料硬度相对于1#略有增加，为HRA52.1；3#、4#、5#、6#材料硬度相对于1#、2#均有明显增加，其中6#增加幅度最大，达到HRA 56.3。另外，试验材料的硬度值均高于常规纯钼材料(常规钼烧结态的硬度一般为HRA48左右)。

图2 试验材料烧结坯硬度检测结果

3.2 室温拉伸性能研究

表2为4 mm厚试验板材去应力退火后的室温拉伸力学性能检测结果。从表2可以看出，试验板材的室温抗拉强度均在900 MPa以上，屈服强度均在800 MPa以上。其中1#板材室温抗拉强度为921 MPa，屈服强度为830 MPa，延伸率为6.5%；2#板材室温力学性能相对于1#未见明显变化，其室温抗拉强度为928 MPa，屈服强度均在835 MPa，延伸率为8.2%；3#、4#板材室温力学性能相对于1#、2#明显提高，其中4#板材室温抗拉强度为948 MPa，屈服强度为875 MPa，延伸率为9.5%；5#板材与1#室温抗拉强度、屈服强度相当，但延伸率明显增加；与1#、2#、3#、4#、5#板材相比，6#板材室温抗拉强度、屈服强度以及延伸率均明显增加，其室温抗拉强度达到975 MPa，屈服强度均在886 MPa，延伸率为16.7%。

表2 4 mm厚试验板材室温拉伸力学性能

图3为4 mm厚试验板材室温拉伸断口形貌。从图3可以看出，1#、2#、3#、4#板材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，此时板材延伸率偏低；而5#、6#板材的室温拉伸断口形貌发生了变化，其明显差异是出现更多更薄的撕裂岭，而且存在少许韧窝，因此其拉伸结果表现为具有一定的塑性变形，延伸率增加。

图3 4 mm厚试验板材室温拉伸断口形貌

3.3 高温拉伸性能研究

图4为4 mm厚试验板材去应力退火后800 ℃高温拉伸性能检测结果。从图4可以看出，试验板材800 ℃抗拉强度在680～740 MPa之间，屈服强度610～660 MPa之间，延伸率在5.9%～8.3% 之间。其中1#板材高温抗拉强度为684 MPa，屈服强度均在613 MPa，延伸率为5.9%；2#、4#板材高温力学性能相对于1#略有提高，2#、4#板材的高温抗拉强度分别为694 MPa、688 MPa，屈服强度分别为625 MPa、623 MPa，延伸率分别为5.0%、6.6%；5#板材高温力学性能相对于1#变化明显；其中5#高温抗拉强度为703 MPa，屈服强度均在634 MPa，延伸率为7.2%；3#、6#板材高温力学性能相对于1#提高最为明显，3#、6#板材的高温抗拉强度分别为736 MPa、732 MPa，屈服强度分别为643 MPa、656 MPa，延伸率分别为6.8%、8.3%。

图4 4 mm厚试验板材高温拉伸力学性能

图5为4 mm厚板材高温拉伸断口形貌。高温拉伸后试验材料的断口均出现大小不一的韧窝。一般地，材料塑性越好，韧窝越大。从图5可以看出，6组材料经800 ℃高温拉伸后，其断口形貌呈现为多个韧窝状，而且，相较于1#、2#、3#、4#材料，5#、6#材料的韧窝稍有增大，这主要是因为5#、6#板材具有优于1#、2#、3#、4#材料的塑性。

图5 4mm厚板材高温拉伸断口形貌

3.4 抗弯性能研究

图6为4 mm厚试验板材室温抗弯性能柱状图。

图6 试验板材室温抗弯性能检测结果

从图6可以看出，试验板材室温抗弯强度在1 470～1 700 MPa之间。其中1#板材室温抗拉强度为1 523 MPa；2#板材室温抗弯性能相对于1#略有提高，其值为1 532 MPa；3#材料板材室温抗弯性能相对于1#提高明显，其值为1 560 MPa；4#、5#板材室温抗弯性能相对于1#未见明显变化，甚至略有下降，4#、5#板材室温抗弯性能分别为1 518 MPa、1 528 MPa；6#板材室温抗弯性能相对于1#提高最为明显，其值达到1 692 MPa。

4 结 论

(1)试验材料烧结态晶粒尺寸为5～20 μm，而且随着Zr含量的增加，组织越来越细小，硬度越来越大；

(2)试验板材的室温抗拉强度均在900 MPa以上，屈服强度均在800 MPa以上，Zr含量为1.8%时，材料的室温强度与塑性均达到最佳；

(3)试验板材800 ℃抗拉强度在680～740 MPa之间，屈服强度610～660 MPa之间，Zr含量为0.8%或者1.8%时，材料的强度与塑性达到最佳；

(4)试验板材室温抗弯曲强度在1 470～1 700 MPa之间，Zr含量为0.8%时，室温抗弯性能提高明显；Zr含量为1.8%时，材料的抗弯性能最佳。