葛 鵬，吳 歡，趙永慶

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

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Mo、V、Cr對鈦合金β相的合金化效應

葛 鵬，吳 歡，趙永慶

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

為了研究鈦合金中常用β合金元素Mo、V、Cr等對β相合金化的影響，通過設計制備一系列不同元素含量的Ti-Mo、Ti-V、Ti-Cr二元β型鈦合金，分析了含單一合金化元素的β型鈦合金的顯微組織、硬度及室溫拉伸性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著合金中β穩(wěn)定元素含量的增加，所有二元合金的晶格常數(shù)及晶粒尺寸都呈減小的趨勢，其中元素Cr具有最強烈的減小晶格常數(shù)效應，而元素Mo對晶粒細化的效果最顯著。成分為Ti-xV、Ti-xCr的β相的拉伸強度隨元素含量增加的變化規(guī)律與硬度變化相似，先減小后增加。Ti-xMo拉伸強度則隨元素含量的增加強度升高。元素Cr對β相的強化效果高于Mo和V。

鈦合金；合金元素；β相；強化

1 前 言

鈦合金由于具有比強度高、耐蝕、抗疲勞等優(yōu)良的綜合性能，成為航空、航天等高技術(shù)領域的關(guān)鍵材料。目前已經(jīng)有十幾種牌號的結(jié)構(gòu)鈦合金在飛行器關(guān)鍵部件的制造中獲得應用，典型合金如用量最大的Ti-6Al-4V及高強結(jié)構(gòu)鈦合金Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe及近幾年才獲得應用的Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe等[1-5]。航空飛行器的發(fā)展對高強結(jié)構(gòu)鈦合金的韌性、疲勞性能及淬透性提出了越來越高的要求，對于現(xiàn)有鈦合金組織與性能關(guān)系及通過控制組織提高合金性能已經(jīng)有大量的研究[6-20]，仍然需要繼續(xù)開發(fā)具有更高性能的新型高強韌結(jié)構(gòu)鈦合金。由于α和β相是高強鈦合金中的兩個基本相，因此非常有必要掌握常用合金元素對兩種不同結(jié)構(gòu)相的強化效果，從而得出合金元素對鈦合金整體強度和韌性性能影響規(guī)律。Mo、V、Cr是高強結(jié)構(gòu)鈦合金最常用的合金化元素，已有研究人員進行了這些元素對鈦合金中α相或整體強化的研究，并獲得了有意義的結(jié)果[21-24]。但對于單一β相強化的研究較少。為了保證合金的淬透性及強度效果，新型的高強結(jié)構(gòu)鈦合金中β穩(wěn)定元素的含量一般較高，強化處理后仍然保留較多的β相，因此非常有必要進行關(guān)于合金化元素對鈦合金β相強化效果的研究。

2 實驗材料及方法

根據(jù)常規(guī)鈦合金β相中V、Mo、Cr合金元素可能存在的含量，選取了Ti18V、Ti25V、Ti35V、Ti15Mo、Ti20Mo、Ti30Mo、Ti10Cr、Ti15Cr、Ti20Cr合金作為二元β合金的研究對象。試驗用材料為根據(jù)設計成分制備的鑄錠經(jīng)鍛造后得到的鍛坯。原材料選用零級海綿鈦，Mo、V、Cr分別以純鉬粉、電解釩、電解鉻的形式加入。在真空自耗電弧爐中經(jīng)三次熔煉得到成品鑄錠。針對不同的合金，經(jīng)過三個火次的熱變形鍛成70×30×L mm的扁方坯，以保證鍛后顯微組織整體均勻。將依照合金的相變點選取相變點以上退火1h后水淬的方式獲得所需的β相。金相試樣腐蝕劑為10%氫氟酸:30%硝酸:60%水。

選用維氏硬度儀對不同合金的硬度進行測試，壓頭壓力為10kg。研究過程中選用的測試手段如表1所示。

3 結(jié)果與討論

圖1為各成分的β鈦合金經(jīng)相變點以上保溫、水淬后的金相組織。從圖1看到，成分為Ti-xV、Ti-xMo、Ti-xCr的合金的晶粒尺寸隨著V、Mo和Cr的增加而減小。添加Mo元素則能夠顯著減小合金的晶粒尺寸，而添加V或Cr元素作用則不明顯。成分為Ti-xCr的合金尺寸僅略大于Ti-xV。

圖1 不同成分β鈦合金的金相照片：(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

從圖2看到，隨著V、Mo、Cr含量的增加，晶格常數(shù)c單調(diào)降低。Ti-xCr的晶格常數(shù)c最小，Ti-xV的晶格常數(shù)c其次，Ti-xMo的晶格常數(shù)c最大。Ti-xCr和Ti-xV的c值相差較少，而Ti-xMo與Ti-xCr和Ti-xV的c值差別較大。

圖2 V、Mo、Cr含量對β相晶格常數(shù)c的影響Fig.2 Effect of Mo,V,and Cr content on the lattice constant c of β phase

同樣由于硬度和強度有一定的對應關(guān)系，且硬度測試排除了晶粒尺寸對性能的影響，更能夠真實地反映合金元素對β相的作用，對上述成分的β相進行了硬度測試。圖3展示的是Mo、V、Cr元素含量變化對β相硬度的影響?？梢钥闯觯S著合金元素Cr、V的增加，相的硬度先降低后升高；隨著合金元素Mo的增加，相的硬度先升高后降低。成分為Ti-xCr的β相硬度高于成分為Ti-xMo的β相硬度。對圖3中數(shù)據(jù)擬合后得到合金含量Me與硬度值HV的定量關(guān)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)

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

對上述具有全β相結(jié)構(gòu)的β合金進行了拉伸性能測試，如圖4所示。

對于采用零級海綿鈦熔煉加工后生產(chǎn)出的工業(yè)純鈦，其退火后的抗拉強度只有300MPa左右。從圖4看到，相比純鈦，鈦中大量β穩(wěn)定元素的加入在獲得β相結(jié)構(gòu)的同時，強度也顯著增加。隨β穩(wěn)定元素加入的不同，合金強度能夠提高270～700MPa，同時還擁有較優(yōu)的拉伸塑性和斷面收縮率。

圖4的結(jié)果表明，Ti-xCr、Ti-xV、Ti-xMo的拉伸強度曲線的相對位置與硬度測試的結(jié)果(圖3)是相似的。其中，Ti-xCr、Ti-xV隨合金元素Cr、V的增加其拉伸強度的變化趨勢與硬度的測試結(jié)果也是相似的。Ti-xMo隨合金元素的增加拉伸強度單調(diào)上升，與硬度測試中Ti-30Mo的硬度迅速下降有所差別。各成分β相的拉伸塑性無一例外地隨β穩(wěn)定元素的增加單調(diào)下降。將圖4中的數(shù)據(jù)擬合后，得到元素含量和力學性能的定量關(guān)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)

圖4 β穩(wěn)定元素含量對成分為Ti-xMe的β相力學性能的影響Fig.4 Effect of beta element content on tensile properties of Ti-xMe alloy with single beta phase

在硬度測試排除了相的晶粒尺寸對性能的影響的情況下，Ti-xMo對相的強化作用和Ti-xCr、Ti-xV強化作用的相關(guān)性與拉伸測試中表現(xiàn)出的非常相似。但圖4中與Ti-xMo有關(guān)的拉伸強度的變化是隨著Mo含量的增加線性增加的。對于β相而言，這可能與相的結(jié)構(gòu)有更密切的關(guān)系。從圖1看到，Ti-xMo的晶粒尺寸遠小于其他成份的β相，且隨著Mo含量的增多，晶粒尺寸不斷減小。和其他成份的β相組織相比，明顯小的晶粒尺寸將對拉伸強度有重要的影響。因此，對于Ti-xMo而言，其拉伸強度變化曲線形狀和排除組織尺寸干擾的硬度變化曲線形狀有所不同。

將成分為Ti-xMe的拉伸強度和硬度的相關(guān)性繪入圖5，同時將相關(guān)數(shù)據(jù)進行擬合，獲得β相拉伸強度和硬度的定量關(guān)系如式(10)～(12)。從圖5看到，硬度和強度關(guān)系直線性最好的是Ti-xV和Ti-xCr，偏差較大的是Ti-xMo。

Rm-HV =302+1.2V

(10)

Rm-HV=1590-2.7Mo

(11)

Rm-HV =469+1.33Cr

(12)

圖5 具有單一β相的Ti-xMe合金的HV與Rm的關(guān)系Fig.5 Relationship of HV and Rm for Ti-xMe alloys with single beta phase

4 結(jié) 論

鈦合金中合金化元素對β相的強化效應是鈦合金強韌化設計及制備的關(guān)鍵基礎。本文通過設計合金化元素含量不同的簡單二元系β鈦合金，分析了Mo、V、Cr對鈦合金β相合金化的基本影響規(guī)律，獲得如下結(jié)論：

(1) 對于成分為Ti-xMe(Me：Mo、V、Cr)的β鈦合金， Ti-xCr二元合金具有相對較高的硬度，表現(xiàn)出高的強化效果；

(2) 成分為Ti-xV、Ti-xMo、Ti-xCr的β鈦合金的晶粒尺寸隨著V、Mo和Cr的增加而減小。添加Mo元素則能夠顯著減小晶粒尺寸。而添加V或Cr元素作用則不明顯。成分為Ti-xCr的β晶粒的尺寸僅略大于Ti-xV；

(3) 成分為Ti-xV、Ti-xCr的β相的拉伸強度隨元素含量增加的變化規(guī)律與硬度變化相似，都有一個最低點。Ti-xMo則表現(xiàn)為隨元素含量的增加強度升高。

References

[1] Brewer W D,Bird R K,Wallace T A.MaterialsScienceandEngineeringA[J],1998,243: 299-304.

[2] Boyer R R.JournalofMetals[J],1992,44(5): 23-25.

[3] Williams J C,Starke E A.ActaMaterialia[J],2003,51: 5775-5799.

[4] Boyer R R,Cotton J D,Chellmman D J. Titanium for Airframe Applications: Present Status and Future Trends[C]// Lütjering G,Albrecht J.Ti-2003ScienceandTechnology. Germany: DGM,2004. 2615-2626.

[5] Fanning J C,Boyer R R. Properties of TIMETAL 555-A New Near-Beta Titanium Alloy for Airframes Components [C]// Lütjering G,

Albrecht J. Ti-2003ScienceandTechnology. Germany: DGM,2004: 2643-2650.

[6] Jones N G,Dashwood R J,Dye D,etal.MaterialsScienceandEngineeringA[J],2008,490: 369-377.

[7] Jones N G,Dashwood R J,Jackson M,etal.ActaMaterialia[J],2009,57: 3830-3839.

[8] Jones N G,Dashwood R J,Jackson M,etal.ScriptaMaterialia[J],2009,60: 571-573

[9] Hall J A,Pierce C M,Ruckle D L.MaterialsScienceandEngineeringA[J],1972,9: 197-210.

[10] Raghunathan S L,Dashwood R J,Jackson M.MaterialsScienceandEngineeringA[J],2008,488: 8-15.

[11] Zhang Z G,Wu G Q,Song H.MaterialsScienceandEngineeringA[J],2008,487: 488-494.

[12] Britton T B,Wilkinson A J.ActaMaterials[J],2012,60: 5773-5782.

[13] Han Yuanfei,Zeng Weidong,Sun Yu,etal.InternationalJournalofMinerals,MetallurgyandMaterials[J],2011,18(4): 444-449.

[14] Zhang S Z,Liu Z Q,Wang G D,etal.JCentSouthUnivTechno1[J],2009,16: 0354-0359.

[15] Min X H,Emura S,Nishimura T,etal.MaterialsScienceandEngineeringA[J],2010,527: 1480-1488.

[16] Shimizu I,Takemoto Y. The Effect of Deformation Mechanism on Plastic Behavior of Beta-Type Ti-Mo Alloys[C]//Ti-2007ScienceandTechnology. The Japan Institute of Metals,2008: 785-790.

[17] Song Z Y,Sun Q Y,Xiao L,etal.MaterialsScienceandEngineeringA[J],2011,528: 4111-4114.

[18] Paladugu M,Kent D,Wang G,etal.MaterialsScienceandEngineeringA[J],2010,527: 6601-6606.

[19] Wang Kaixuan(王凱旋),Zeng Weidong(曾衛(wèi)東),Zhao Yongqing(趙永慶),etal.RareMetalMaterialsandEngineering(稀有金屬材料與工程)[J],2011,40(5): 784-787.

[20] Zhou Y L,Luo D M.MaterialsCharacterization[J],2011,62(10): 931-937.

[21] Wu Huan(吳 歡),Zhao Yongqing(趙永慶).RareMetalMaterialsandEngineering(稀有金屬材料與工程)[J],2012,41(5): 805-810.

[22] Wu Huan(吳 歡),Ge Peng(葛 鵬),Zhao Yongqing(趙永慶)，etal.HeatTreatmentofMatals(金屬熱處理)[J],2011,36(5): 24-29.

[23] Khorev I. Complex Alloying of Titanium Alloys. Translated from Metallovedenie I Termicheskaya Obrabotka Metallov,1975,(8): 55-63.

[24] Seishi Ishiyama,Shuji Hanada.TheSumitomoSearch[J],1993(54): 41-47.

(編輯 惠 瓊)

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

陜西省重點科技創(chuàng)新團隊計劃(鈦合金研發(fā)創(chuàng)新團隊)(2012KCT-23)； 科技部“973”項目(2007CB613805)

葛 鵬，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