許麗潔，李維火，胡超

(安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,安徽馬鞍山243002)

Ti-Fe-Cu合金的制備與性能

許麗潔，李維火，胡超

(安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,安徽馬鞍山243002)

采用銅模吸鑄法制備直徑為3，6mm的Ti64Fe18Cu18,Ti68Fe18Cu16,Ti70Fe18Cu12和Ti74Fe18Cu84種Ti-Fe-Cu合金圓棒，通過X射線衍射儀和光學(xué)顯微鏡觀察該合金樣品的微觀組織結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)和抗腐蝕性能測(cè)試，研究合金樣品的力學(xué)性能、抗氧化性能及耐腐蝕性能。結(jié)果表明：制備的Ti-Fe-Cu合金相主要是由立方cp2 Ti(Fe，Cu)金屬間化合物和bccβTi固溶體組成；隨著Cu含量的減少，Ti-Fe-Cu合金硬度和室溫塑性逐漸增大，且最大壓縮塑可達(dá)18%；此合金具有良好的抗氧化和抗腐蝕性能，與傳統(tǒng)的Ti-6Al-4V合金相比，其制造成本更低，性能更優(yōu)異。

Ti-Fe-Cu合金；固溶強(qiáng)化；耐腐蝕性

鈦及鈦合金因其優(yōu)異的綜合力學(xué)性能在航天、航空、船舶、化工等行業(yè)得到高度重視和廣泛應(yīng)用[1-2]。有人把鈦稱作“時(shí)髦金屬”，也有人因其在工業(yè)上發(fā)揮的重要作用及未來的發(fā)展趨勢(shì)，將其稱為第三金屬或未來的鋼鐵[3-4]。生產(chǎn)低成本、高強(qiáng)度的鈦合金是當(dāng)今鈦合金發(fā)展的趨勢(shì)之一，因此，近年來一些研究集中于低成本、高性能新型鈦合金的開發(fā)[5-6]，以使鈦合金進(jìn)入具有巨大市場(chǎng)潛力的民用工業(yè)領(lǐng)域。

在Ti基體中加入Al和V(如Ti-6A l-4V)等β穩(wěn)定型元素可以達(dá)到固溶強(qiáng)化作用，獲得β鈦合金。Al含量的增加雖能提高合金的強(qiáng)度，卻增加了合金的脆性，對(duì)塑性并未改善；V是鈦合金的“軟”強(qiáng)化劑[7]，能提高強(qiáng)度，但是不能改善塑性，且價(jià)格昂貴。雷力明等[8]、曹春曉等[9]在Ti中加入Cr，Mo等β穩(wěn)定型元素，達(dá)到了顯著的固溶強(qiáng)化作用。Fe和Cu都是β相強(qiáng)化元素，主要通過固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化的途徑來穩(wěn)定β相，有時(shí)也會(huì)發(fā)生加工硬化；在高溫下，F(xiàn)e形成穩(wěn)定的化合物TiFe2，而Cu一部分以固溶狀態(tài)存在，另一部分則形成Ti2Cu或者TiCu2化合物[10-11]；此外，這2種金屬都是富有資源，價(jià)格較便宜。為此，筆者在Ti基體中加入Fe和Cu元素，試圖制備出低成本、高強(qiáng)度的Ti合金體系。

1 實(shí)驗(yàn)原料與方法

將純度為99.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Ti，F(xiàn)e和Cu按一定的原子數(shù)分?jǐn)?shù)Ti64Fe18Cu18，Ti68Fe18Cu14，Ti70Fe18Cu12和Ti74Fe18Cu8進(jìn)行配料，并對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，分別為1#，2#，3#和4#。

利用WK-II型非自耗真空電弧爐制備試樣。在高純氬氣保護(hù)下，通過電弧熔煉成合金錠，并反復(fù)熔煉四、五次使成分均勻化，再通過銅?？焖倮鋮s吸鑄出直徑為3，6mm的圓棒試樣。通過德國(guó)的BRUCKD 8Advance(XRD)和Leica DM 4000M金相顯微鏡表征所制備試樣的微觀組織結(jié)構(gòu)，使用Instron-5500R型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其力學(xué)性能。通過電阻爐和溫度控制器在加熱溫度為650℃的條件下研究其抗氧化能力。設(shè)定腐蝕電流為1.045×10-6mA，腐蝕電壓為-0.373 8 V，采用電化學(xué)分析儀在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中對(duì)制備的合金試樣進(jìn)行抗腐蝕性能測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 Ti-Fe-Cu合金的X射線衍射分析

試樣的X射線衍射分析結(jié)果如圖1。由圖1可知，Ti-Fe-Cu合金的相組成主要由立方cp2 Ti(Fe,Cu)金屬間化合物和無序的cl2bccβTi固溶體組成，其衍射峰的第一強(qiáng)度峰和第二強(qiáng)度峰分別為cl2βTi和cp2 Ti(Fe,Cu)金屬間化合物，其他相衍射峰比例較少。

分析圖1可知：Ti-Fe-Cu合金屬于β相類型合金，其中cl2βTi和cp2 Ti(Fe,Cu)金屬間化合物含量較多，是主要的強(qiáng)化相；隨著Cu含量的減少，cl2βTi的峰稍微向右偏移且峰值強(qiáng)度增大，而cp2 Ti(Fe,Cu)金屬間化合物的峰值強(qiáng)度降低，表明合金中βTi的含量隨著銅含量的減少而增加；在Ti-Fe-Cu合金中可以觀察到tp10結(jié)構(gòu)為TiCu的形成，并含有少量的Cu0.8Fe0.2Ti相，這些復(fù)雜的相導(dǎo)致了試樣的脆性。

2.2 Ti-Fe-Cu合金的組織

圖2為Ti-Fe-Cu試樣在放大1 000倍下的光學(xué)金相照片，圖中較亮的區(qū)域是單相β相，黑色是被腐蝕的晶界。這些組織是Ti(Fe,Cu)金屬間化合物和體心立方的βTi固溶體。由圖2可看出，隨著銅含量的減少，合金組織逐漸由片狀變成樹突狀，最后變成了等軸狀，其大小為5～10μm，且銅含量越少，合金中等軸組織越細(xì)小，分布越均勻。Ti(Fe,Cu)金屬間化合物的彌散分布是鈦合金獲得高硬度的一個(gè)重要原因。

圖2 試樣的金相照片F(xiàn)ig.2 M etallograph of specimens

2.3 Ti-Fe-Cu合金的力學(xué)性能

2.3.1 硬度通過HV-1000小型負(fù)荷維氏硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行顯微硬度分析，測(cè)得數(shù)據(jù)與Ti-6A l-4V比較的結(jié)果見表1。由表1可知，Ti-Fe-Cu合金的硬度和屈服強(qiáng)度明顯高于Ti-6A l-4V合金。結(jié)合以上分析，隨著銅含量的減少，合金的晶粒尺寸逐漸減小，硬度值因此增大。由于金屬材料的硬度值是由起始塑性變形抗力和繼續(xù)塑性變形抗力決定，所以硬度和強(qiáng)度的變化趨勢(shì)相似，材料的強(qiáng)度越高，塑性變形抗力越高，硬度值也越高。

2.3.2 壓縮性能圖3為Ti-Fe-Cu合金試樣的室溫壓縮應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線。由圖3可知：4種試樣的Ti-Fe-Cu合金的室溫壓縮曲線呈現(xiàn)出相同的特征，分為兩個(gè)階段：第一階段是彈性變形階段，應(yīng)力σ與應(yīng)變?chǔ)懦烧汝P(guān)系，其應(yīng)變硬化率K(dσ/dε)值較大；第二階段是加工硬化階段，當(dāng)載荷增加到一定值后，材料產(chǎn)生明顯塑性變形，隨著塑性變形進(jìn)行，變形抗力不斷增加，載荷達(dá)到最大值。由圖3還可知，Ti-Fe-Cu合金在室溫下的壓縮過

表1 試樣的維氏硬度及屈服強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Tab.1 Hardnessand strength of specimens

程中，4種合金試樣均具有很高的屈服強(qiáng)度(＞1.6GPa)，且隨著銅含量的減少，試樣的屈服強(qiáng)度略有降低，而塑性變形量卻在大幅增加，其中4#試樣的塑性變形量高達(dá)18%，表現(xiàn)了很好的應(yīng)變硬化。結(jié)合圖1，2可知，當(dāng)銅含量減少時(shí)，Ti-Fe-Cu合金的晶粒尺寸減小，而且合金中的cl2βTi固溶體的含量在增加，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)量增多，變形時(shí)，各晶粒間相互牽制增強(qiáng)，因此塑性變形抗力增大，強(qiáng)度也會(huì)增加，塑性也較好。

圖3 試樣的σ-ε曲線Fig.3 Trueσ-εcurvesof specimens

2.4 Ti-Fe-Cu合金的氧化與腐蝕性能

2.4.1 氧化增重圖4為4#試樣的氧化增重曲線。由圖4可見：在前30m in內(nèi)，質(zhì)量急劇下降，這是由于金屬表面的油污和水汽等雜質(zhì)放入電阻爐后揮發(fā)、熔化所致；3 h后，試樣開始氧化增重，且氧化增重量較小，氧化速度較慢，表明Ti-Fe-Cu合金的抗高溫氧化性能良好。

2.4.2 電化學(xué)腐蝕圖5為4#試樣的電化學(xué)腐蝕曲線。由圖5可見，曲線分為3個(gè)區(qū)域：AB為活化區(qū)，即金屬的活性溶解區(qū)，在這個(gè)區(qū)間，金屬進(jìn)行正常的陽(yáng)極溶解，溶解速度按塔菲爾規(guī)律增長(zhǎng)；BC區(qū)為鈦合金的活化鈍化區(qū)，金屬表面狀態(tài)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓為致鈍電壓，即為腐蝕電壓；CD區(qū)域?yàn)殁g化區(qū)，此區(qū)域電流只有很小變化，C點(diǎn)的電位為維鈍電位，對(duì)應(yīng)的電流為維鈍電流。維鈍電流密度正是通過金屬的少量溶解生成相應(yīng)的氧化物來修補(bǔ)破化的鈍化膜。

圖4 4#試樣的氧化增重曲線Fig.4 Oxidation weightgain curve of specim en 4#

圖5 4#試樣的電化學(xué)腐蝕曲線Fig.5 Electrochem ical corrosion curve of specimen 4#

綜上可知，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，Ti-Fe-Cu合金較傳統(tǒng)的Ti-6A l-4V合金的腐蝕電流較小，而腐蝕電壓相似，表明制備的Ti-Fe-Cu合金在較小的電流下就可以達(dá)到鈍化狀態(tài)。這是由于Fe和Cu溶于Ti基體中形成cp2 Ti-Fe-Cu金屬間化合物，提高了合金的電極電位，從而提高其耐蝕性。

3 結(jié)論

1)利用銅模鑄造法制備了4種Ti-Fe-Cu合金，其合金相主要是由立方cp2 Ti-Fe-Cu金屬間化合物和bccβTi固溶體組成。

2)隨Cu含量的減少，Ti-Fe-Cu合金的強(qiáng)度和塑性逐漸增大，最大壓縮塑性達(dá)到18%。

3)與傳統(tǒng)的Ti-6Al-4V合金相比，Ti-Fe-Cu合金主要為β相結(jié)構(gòu)，合金制造成本更低，而且具有較好的抗氧化和耐腐蝕性能。

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責(zé)任編輯：何莉

Preparation and Propertiesof High Strength Ti-Fe-Cu Alloys

XU Lijie，LIWeihuo,HU Chao
(SchoolofMaterials Scienceand Engineering,AnhuiUniversity of Technology,Ma'anshan 243002,China)

Ti64Fe18Cu18,Ti68Fe18Cu16,Ti70Fe18Cu12and Ti74Fe18Cu8alloyswith a diameterof 3 and 6mm were prepared by casting coppermould.Phase composition andm icro-structurewere studied by OM and XRD.Then,mechanical properties,inoxidability and corrosion resistance were investigated by compression tests and the electrochem ical corrosion.The resultsshow that the Ti-Fe-Cu alloysareorganized primarily by the intermetallic compound of Ti(Fe, Cu)andβ-Tibase disordered solid solution;Andwith theCu content reduced,room temperature compression plasticity increases,which reaches18%maximum;Thesealloyshavegood inoxidability and corrosion resistance.Compared with conventional Ti-6A l-4V alloy,Ti-Fe-Cu alloys have notonly lowermanufacturing costs,butalso superior performance.

Ti-Fe-Cu alloys;solution strength;corrosion resistance

TG146.23

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2014.02.006

1671-7872(2014)02-0132-04

2013-07-17

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51071001)

許麗潔(1985-)，女，河南許昌人，碩士生，主要從事亞穩(wěn)態(tài)材料的開發(fā)與研究。

李維火(1974-)，男，安徽宣城人，教授，主要從事亞穩(wěn)態(tài)材料的開發(fā)與研究。