稀土元素La对粉末冶金钛合金锻态组织与力学性能的影响.pdf

第 1 9卷第 2期 、 ，0 1 ． 1 9 No ．2 粉末冶金材料科学与工程 M a t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g o f Po wd e r M e t a l l u r g y 2 0 1 4年 4月 Apr ． 2 01 4 稀土元素 L a对粉末冶金钛合金锻态组织与 力学性能的影响 刘延斌 ， 一，刘 咏 ，谌炎辉 ，赵中伟 。 ，王斌 f 1 ． 广西科技大学 广西车辆零部件先进设计制造重点实验室，柳州 5 4 5 0 0 5 ； 2 ．中南大学 粉末冶金国家重点实验室，长沙 4 1 0 0 8 3 ；3 ．中南大学 冶金科学与环境学院，长沙 4 1 0 0 8 3 摘要 分 别以添加 L a H 2 和 L a B 6 的方式在钛合金 中引入稀土元素 L a ，采用粉末锻造法制备 T i F e - Mo L a合金， 研究 L a的添加方式对钛合金组织与性能的影响。结果表明，添加 L a H2 可显著提高钛合金的伸长率，其中添加 O ． 3 ％L a H2 的合金伸长率达 2 6 ． 5 ％，比未添加 L a H2 的合金提高4倍以上，但强度减少约 5 0 MP a 左右；添加 L a B 6 可显著提高合金强度，其中添加 0 ． 1 5 ％L a B 的合金抗拉强度达 1 1 0 0 MP a ，但伸长率提高不明显。以不同方式添 加稀土 L a形成的微观组织造成的强化机制不同是材料强度和塑性变化的主要原因。 关键词粉末锻造；钛合金；稀土；组织力学性能 中图分类号T G3 1 文献标识码A 文童编号1 6 7 3 0 2 2 4 2 0 1 4 2 2 2 3 0 7 Ef f e c t 0 f r a r e e a r t h ． La a d di t i o n o n m i c r o s t r uc t u r e a nd me c ha n i c a l p r o pe r t y o f po wd e r f o r g e d Ti a l l o y LI U Ya n ． b i n ， 一， L I U Yo n g ， CHE N Ya n ． h u i ， Z HAO Zh o n g ． we i 。 ，W ANG Bi n 1 ． Gu a n g x i Ke y La b o r a t o r y o f Au t o mo b i l e Co mp o n e n t s a n d Ve h i c l e Te c h n o l o g y ， Gu a n g x i Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy ， Li u z h o u 5 4 5 0 0 5 ， Ch i n a ； 2 ． S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f P o wd e r M e t a l l u r g y ， Ce n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y， Ch a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， Ch i n a ； 3 ． S c h o o l o f Me t a l l urgy a n d E n v i r o n me n t ， C e n tr a l S o u t h Un i v e r s i ty， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， C h i n a Ab s t r a c t Ti ． F e M o a l l o y s wi t h r a r e e a r t h L a a d d i t i o n we r e f a b r i c a t e d b y p o wd e r f o r g i n g ． Th e r a r e e a r t h La we r e a d d e d i n t h e f o r m o f La H2 a n d La B6 ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e e l o n g a t i o n o f the a l l o y g r e a t l y i n c r e a s e d b y a d d i t i o n o f L a H2 ， b u t t h e s t r e n g t h o f the a l l o y s l i g h t l y d e c r e a s e d ． Ho we v e r ，the s tre n gth o b v i o u s l y i n c r e a s e d b y a d d i t i o n o f L a B6 ， a n d the e l o n g a t i o n s l i g h t l y i n c r e a s e d ． Th e e l o n g a t i o n o f t h e a l l o y b y a d d i tio n o f 0 - 3 ％ L a H2 r e a c h e d 2 6 ． 5 ％． wh i c h i s f o u r ti me s o f t h a t o f t h e o r i g i n a l a l l o y ． Th e s t r e n g t h o f t h e a l l o y b y a d d i t i o n o f L a B6 r e a c h e d 1 1 0 0 MP a ． T h e d i f f e r e n t h a r d e n i n g me c h a n i s ms d u e t o d i f f e r e n t m i c r o s t r u c t u r e f o rm e d b y a d d i t i o n o f La H2 a n d L a B6 a r e t h e ma i n r e a s o n s for the c h an g e o f s tr e n g t h a n d e l o n g a t i o n ． Ke y wo r d s p o wd e r f o r g i n g ； t i t a n i u m a l l o y ； r a r e e a r t h ； mi c r o s t r u c t u r e ； me c h a n i c a l p r o p e r t y 钛及钛合金具有比强度高、热稳定性好、耐腐蚀 及无磁性等优异性能，被誉为 “ 太空金属”、 “ 海洋 金属 ”，广泛应用 于航 空航天 、化 工、石油、冶金及 船舶等领域【 】 】 ，但价格高昂的原料及加工成本限制了 钛合金在民用领域的大规模使用[ ] 。研究表明【 4 ] ， 稀土元素在铸造钛合金中可有效细化组织，改善合金 的室温性能、抗氧化性能和热稳定性，同时稀土氧化 基金项目 收稿 日期 通讯作者 物具有很高的熔点，在高温下稳定，因而可显著提高 材料的高温力学性能。钛合金中获取稀土氧化物弥散 颗粒的方式主要有以下几种1 1 快速凝 固，如表面激 光熔凝[ 7 - 1 0 ] 、喷溅急冷【 u ] 、旋转电极雾化[ 1 2 - 1 3 等，采 用这些方法可获得极细小并且分散的稀土氧化物颗粒 ； 2 1 铸造工艺【 6 ， H 】 ，稀土元素通过与基体中的氧进行固 液扩散和反应来生成稀土氧化物颗粒；3 粉末冶金元 中南大学博士后科学基金资助项 目；广西车辆零部件先进设计制造重点实验室开放基金资助项 I I 2 0 1 2 K F MS 0 6 2 0 1 3 ． 0 5 2 9 ；修订 13 期2 0 1 3 0 8 0 2 刘咏，教授 ，博士。电话0 7 3 1 - 8 8 8 3 0 4 0 6 ；E ma i l y o n l i u C S U ．e d u ．c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 4 粉末冶金材料科学与工程 素 混合 法f 1 引 ，Nd元 素和氧 元素在扩散过程 中结合 生成稀 土氧 化物 ，但 由于 Nd 0 3 在拉伸变形过程 中易 发 生断裂 ，因而对钛 合金的强度产生不利影响 。 粉 末 冶 金 工 艺制 备 钛 合 金 时稀 土 可 以 R e H” A1 一 R e中间合金及 R e B 6 等 多种形式添加 ，其 中 R e B 可与 T i 原位 生成 R e 2 O 3 和 T i B颗粒增强相 ，T i B是最 理想的增强体之一，能有效提高合金的强度[ “ 1 。 R e 2 O 既可作为弥散强化相来增强基体，又能通过摄 取基体氧元素来提高材料塑性。 低品位的钛粉价格低， 并且其中大量的氧元素为生成稀土氧化物提供氧元素 的来源，为开发低成本钛合金提供了可能。前期研究 发 现f 】 ，通过 高温烧 结，钛合金 中除了生成尺寸细小 且分布均匀的稀土氧化物颗粒外，还存在尺寸较大且 形状不规则 的富稀土氧化物颗粒 ，对合金 的强度和塑 性产生不利的影响，此外合金中残存的孔隙也极大地 影响合金的强度和塑性。粉末锻造作为钛合金零件成 形的重要手段，可有效提高烧结态合金的致密度以及 改善基体组织【 2 们 。因此，在前期 系统地研 究了 以添加 L a H2和 L a B 6的方 式引入稀 土元素 L a对烧结态 T i ． F e Mo合金组织与力学性能影响 的基础上 ，进一步 研究添加 L a H 2 和 L a B 6 两种形式 的稀土 L a 对粉 末锻造 T i ． F e Mo合金显微组织及力学性能的影响，为开发高 性 能低 成本粉末冶 金钛合 金提供 理论基 础。 1 实验 实验采用的原材料为氢化脱氢钛粉 其氧含量为 0 ． 4 0 ／ 0 ，粒度1 0 4 m ，F e粉 4 m ，Mo粉 5 m 、L a B 6 粉 末 3 0 m ，L a H2 7 4 r t m 粉 末 。 T i 一 1 ． 5 ％ F e ． 2 ． 2 5 ％Mo 质 量分数 基础上分别添加 L a H2 和 L a B 6 ， L a H 2 的添加量 质量分数 分别为 0 ． 3 ％， 0 ． 6 ％， 0 ． 9 ％，1 ． 2 ％， L a B 6 的添 加量 质量分数 分别 为 0 ． 1 5 ％， 0 ． 3 ％， 0 ． 6 ％，1 ． 2 ％。 将原料粉末放入v型混料机中混 合 1 0 h ，然后在 2 5 0 MP a 压力下冷等静压成形，获得 直径 5 0 i n to、高 8 0 mm的圆柱形坯体。在 l 3 0 0℃下 真空烧结 1 ． 5 h 真空度为 5 1 0 一P a ，炉冷得到含稀 土 L a的钛合金。将烧结态合金加热至 9 0 0℃ 相区 保温 3 0 mi n后 ，用 四柱液压机进行锻造 ，压下量 为 6 0 ％，空冷 。最 后进行 6 5 0℃／ 3 h退火热 处理，空冷 。 锻料经机加工制成圆棒状标准拉伸试样，标距段 为直径 5 m、长 2 5 mm，在 I n s t r o n 3 3 6 9 力 学试验机上 进行拉伸试验。利用带有能谱仪的 N o v a Na n o S E M 2 3 0 场 发 射 扫描 电镜观 察 合 金 的显 微组 织 ，在 J S M． 6 3 6 0 扫描电镜下观察其断口形貌。 2 实验 结果 2 ． 1 力学性能 图 1 和 图2 所示分别 为添加 L a H 2 和 L a B 6 的 T i ． F e ． Mo钛合金锻造态并经退火处理后的室温拉伸性能。 从图中看出合金经锻造及退火热处理后 ，其室温拉伸 性能较烧结态有显著提高【 1 ，但抗拉强度和伸长率随 L a H 添加量的变化规律与随 L a B 添加量的变化规律 有所不 同。 添 加 L a H 对合金强度没有 明显影响 ， 对伸 长 率影响显著，添加 0 ． 3 ％L a H 2的合金伸长率提 高到 2 6 ． 5 ％，随 L a H 2 含量进一步增加 ，伸长率基本保持不 变。随 L a B 添加量增加 ， 合金 的抗拉强度先升 高后 降 w L a H2 ／ ％ 图 1 L a H2 添加量对锻造态 T i F e ． Mo合金拉伸性能的影响 F i g ． 1 T h e i n fl u e n c e o f w L a H 2 o n t h e t e n s i l e p r o p e r t i e s o f T i F e M o a l l o y s a f t e r r g i n g w La B6 ／ ％ 图 2 L a B 6 添加量对锻造态 T i ． F e ． Mo 合金室温拉伸性能的影响 F i g ． 2 I n fl u e n c e o f w L a B 6 o n t h e t e n s i l e p r o p e rt i e s o f T i F e - M o a l l o y s a f t e r f o r g i n g 荟， q l 扫∞ _I 一 至_ 盘 o ．I ∞o 一 一 ∞ I I 血 l上 ≥ I I o 暑∞ o 一 ／ Ⅵ I 1 0 扫 啦 I I ∞ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 9卷第 2期 刘延斌，等稀土元素 L a 对粉末冶金钛合金锻态组织与力学性能的影响 2 2 9 [ 2 】 F RO ES F H， F RI E DR I C H H， K I ES E J ， e t a 1 ． T i t a n i u m i n t h e f a mi l y a u t o mo b i l e T h e c o s t c h a l l e n g e[ J ] ． J OM，2 0 0 4 ， 5 6 2 4 0 -4 4． [ 3 ] F AL L E R K，F ROE S F H．T h e u s e o f t i t a n i u m i n f a mi l y a u t o mo b i l e s C u r r e n t t r e n d s[ J ] l J O M， 2 0 0 1 ， 5 3 4 2 7 2 8 ． 【 4 ] C AS T R O d e V， L E GU E Y T ， MUNOZ A， e t a 1 ． Mi c r o s t r u c t u r e a n d t e n s i l e p r o p e rti e s o f Y2 03 一 d i s p e r s e d t i t a n i u m p r o d u c e d b y a r c me l t i n g [ J ] ．Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g A，2 0 0 6 ， 4 2 2 1 ／ 2 1 8 9 1 9 7 ． [ 5 ] wu Y，HWA NG S K． Mi c r o s t r u c t u r a l r e fi n e me n t a n d i mp r o v e me n t o f m e c h a n i c a l p r o p e rti e s a n d o x i d a t i o n r e s i s t a n c e i n E P M T i A1 一 b a s e d i n t e r me t a l l i c s wi t h y t t ri u m a d d it i o n[ J ] l Ac t a Ma t e r i a l i a ， 2 0 0 2 ， 5 O 6 1 4 7 9 1 4 9 3 ． [ 6 】HOT T A S ，YAMADA K，MRU AK AMI T ，e t a 1 ．G r a i n r e fi n e me n t d u e t o s m a l l a mo u n t s o f y t t r i u m a d d i t i o n i n t y p e t i t a n i u m a l l o y ，S P 一 7 0 0 [ J ] _I S I J I n t e ma t i o n a l ，2 0 0 6 ，4 6 1 l 29 -1 3 7 ． [ 7 ] KONI Z E R D G， MU DDL E B C， F R AS E R H L ． F o r ma t i o n a n d t h e r ma l s t a b i l i t y of a n o x i d e d i s p e r s i o n i n a r a p i d l y s o l i di fi e d T i E r a l l o y[ J ] _ S c r i p t a Me t a l l u r g i c a ， 1 9 8 3 ， 1 7 7 9 6 3 6 ． [ 8 ] K ONI T Z E R D G， L OF VANDE R J P A， C OUR T S A， e t a 1 ． T h e o r e t i c a l a nd e x p e rime n t a l de t e rm ina t i o n s o f t h e t h e rm a l s t a bi l i ty o f r a r e e a r t h o x i de pa r t i c l e s i n r a p i d l y s o l i di fi e d t i t a n i u m a l l o y s[ J ] ． A c t a Me t a l l u r g i c a ， 1 9 8 8 ， 3 6 6 1 5 9 5 6 0 6 ． [ 9 ] K ONI T Z E R D G， S T A NL E Y J T ， LO R E T T O M H， e t a 1 ． T h e n a t u r e o f d i s p e r s e d p ha s e s i n Ti 一 0 ． 7 a t ．％ Er p r e p a r e d b y r a p i d s o l i d i fi c a t i o n p r o c e s s i n g [ J 】 ． Ac t a Me t a l l u r g i c a ，1 9 8 6 ，3 4 7 l 2 6 9 - 7 7 ． [ 1 0 】 L O F V ANDE R J P A，CO URT S A，KI R C HE I M R，e t a 1 ． T h e rm a l s t a b i l i t y o f r a r e - e a r t h ox i d e s i n Ti wh e n a n n e a l e d a b o ve t h e ／ t r a n s u s[ J ] ． S c r i p t a Me t a l l u r g i c a ， 1 9 8 7 ， 2 1 6 8 5 9 6 1 ． [ 1 1 ] S AS T R Y S M L ， ME S CH T E R P J ， ONE AL J E ． S t r u c tur e a n d p r o p e r t i e s o f r a p i dl y s o l i d i fie d d i s p e r s i o n s e n gt h e n e d t i t a n i u m a l l o y s ．I ．Ch ara c t e r i z a t i o n o f di s p e r s o i d d i s t rib u t i o n ，s t r u c t u r e ， a n d c h e mi s t r y[ J ] l Me t a l l u r g i c a l T r a n s a c t i o n s A， 1 9 8 4 ，1 5 A 7 1 4 51 - 6 3． [ 1 2 ] P E R RI E R C ，NAK A S ，KUB 1 N L P ．P l a s t i c d e f o r ma t i o n b e h a v i o u r o f r a p i d l y s o l i d i fi e d T i Y a l l o y s b e l o w 7 0 0 C [ J ] ． S c r i p t a Me t a l l u r g i c a ， 1 9 8 9 ， 2 3 4 4 7 7 8 2 ． [ 1 3 ] NAK A S ，MAR T Y M，OC T OR H．O x i d e d i s p e r s e d t i t ani u m a l l o y s T i Y p r e p a r e d wi t h t h e r o t a t i n g e l e c t r o d e p r o c e s s[ J ] ． J o u rna l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e ， 1 9 8 7 ， 2 2 3 8 8 7 9 5 ． [ 1 4 ] G E NG K，L U W，Z HANG D．Mi c r o s tr u c t u r e and t e n s i l e p r o p e rt i e s o f i n s i t u s y n t h e s i z e d T i B Y2 03 ／ T i c o mp o s i t e s a t e l e v a t e d t e mp e r a t u r e[ J 1 ． Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g A， 2 0 0 3 ． 3 6 0 1 ／ 2 1 7 6 1 8 2 ． [ 1 5 ] L I U Y， CH E N L F ， WE I W F ， e t a 1 ． I mp r o v e me n t o f d u c t i l i t y o f p o wd e r me t a l l u r g y t i t a nium a l l o y s b y a d d i t i o n o f r a r e e a r t h e l e me n t [ J ] ． J o u ma l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e T e c h n o l o g y ， 2 0 0 6 ， 2 2 4 4 6 5 4 6 9 ． [ 1 6 ] 汤慧萍，刘 咏，韦伟峰，等．添加稀土元素对粉末冶金 T i 合 金显微 组织和 力学性能 的影 响[ J ] ．中国有色 金属学报，2 0 0 4 ， 1 4 2 2 4 4 2 4 9 ． TANG Hu i P i n g ， LI U Yo n g ， W E I W e i Fe n g ， e t a 1 ． Ef f e c t o f r a r e e a rth e l e me n t o n mi c r os t r u c t u r e a nd m e c h a n i c a l pr o p e rti e s of p o wd e r me tal l u r gy T i a l l o y [ J ] l T h e C h i n e s e J o u r n a l o f No n f e r r o u s Me t a l s ， 2 0 0 4 ， 1 4 2 2 4 4 2 4 9 ． [ 1 7 ] YA NG Z ，L U W，Z H AO L ，e t a 1 ．I n s i t u s y n t h e s i s o f h y b ri d r e i n f o r c e d t i t a n i u m ma t ri x c o mp o s i t e s [ J 】 ．Ma t e r i a l s L e t t e r s ， 2 0 0 7 ， 6 1 1 1 ／ 1 2 2 3 6 8 2 3 7 2 ． [ 1 8 ] L I Y G， XI AO L， L U W J ， e t a 1 ． C r e e p r u p tur e p r o p e r t y o f i n s i t u s ynt h e s i z e d T i B L a 2 03 ／ T i c o mp o s i t e[ J ] ． Ma t e ria l s S c i e n c e and E n g i n e e ri n g A， 2 0 0 8 ， 4 8 8 1 ／ 2 4 1 5 4 1 9 ． [ 1 9 ] 王斌 ， 刘咏，刘延斌，等．稀土 La对粉末冶金钛合 金组 织 和力 学性 能 的影 响[ J ] ．粉末 冶金 材料科 学 与工 程，2 0 1 0 ， 1 6 1 l 3 6 1 4 2 ． W ANG Bi n ， LI U Yo n g ， LI U Ya n bin， e t a 1 ． Ef f e c t s o fLa I -I 2 an d La B6 a d di t i o n o n mi c r o s t r u c t u r e and me c h a n i c a l p r o p e r t y o f p o wd e r me t a l l urgy T i a l l o y [ J ] ． Ma t e ri a l s S c i e n c e and E n g i n e e ri n g o f P o wd e r Me t a l l u r g y ， 2 0 1 0 ， l 6 1 1 3 6 1 4 2 ． [ 2 0 ] F R OE S F H，E I CH E L MAN G E ，B UR T E H M，e t a 1 ． De v e l o p me n t s i n t i t ani u m p o wd e r me tal l u r g y[ J ] _J o u r n a l o f Me t a l s ， 1 9 8 0 ， 3 2 2 4 7 5 4 ． 编辑汤金芝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m