含有铌的钛铝化合物合金，在不同压缩力作用下，对力学性能的影响

柔情侠客

钛铌合金
文丨胖仔研究社
编辑丨胖仔研究社
«——【·前言 ·】——»
近年来，通过微合金化和微观结构优化，c和耐腐蚀性能有了显著提高，最近的综述对合金设计的现状进行了评估。
在技术应用中使用的合金具有化学计量学上富钛的成分，因此它们含有金属间相Cl.2（Ti3Al）和y（TiAl），这些金属间相的存在对合金的性能起到了关键作用。
在铝化钛合金中，可以实现的微观结构通常是基于单相γ晶粒和层状（Cl.2+）菌落接近伽马，双相、近层和全层等形态，这些微观结构对两相TiAl合金的力学性能起到关键的影响。

铝铌合金
与层状形态相比，近y和双相微观结构在环境温度下具有优越的拉伸延展性，但具有较低的断裂韧性和低高温强度。
细粒度材料通常在高温下表现出较低的流动应力，通常在500-600 MPa左右（例如，温度约为973 K）。
与此同时，在室温下，该材料具有适当的拉伸延性，通常达到1%（f= I%），且断裂韧度至少为12-24 MPa·m^1/2（取决于微观结构）。
因此，两相钛铝化物似乎满足了几种高温应用的技术要求。
由于TiAI合金目前被认为是更密集的传统镍基超级合金的替代品，因此TiAI合金的比强度性能必须根据超级合金设定的高标准进行评估。

表1.项目组成情况，含铌和二元合金的微观结构和HIP处理
在这方面，铝化钛较差，特别是在温度> 1023 K的高温强度下。
问题是，在预期的工作温度973 K下，由于热激活的滑动和爬升过程[6,7]，变形行为变得强烈地依赖于速率。
而合金的强度特性在低应变速率下会降低，类似于蠕变条件下观察到的情况。因此，提高高温强度的钛铝化，成为了镍基超级合金的一个有吸引力的替代品。
关于铝化钛的不同微观结构形式，通过微观结构控制来显著提高高温强度的潜力似乎是有限的。因此，如果要显著提高高温强度，则应考虑其他冶金技术。
最近，有研究表明，a为10at.%加入Nb显著提高了两相合金的高温强度[8]和抗氧化性[9,10]。本研究的目的是表征这种合金的变形行为与高温应用的潜力。

表2.不同两相铝钛合金的活化参数在E 1.25%、=4.17x和S-1和T = 1100和9=13K、= 1/2(110]，Ihl ~0.283 nm
我们对不同成分的高含铌合金进行了研究，并根据变形实验结果进行了分析。该结果将与目前正在考虑的实际应用的两相合金中获得的结果进行比较。
«——【·激活参数背景·】——»
人们早就认识到，塑性变形可以通过热活化来支持，从而产生温度和速率依赖性的滑动阻力。
因此，关于高温的应用，有关这些过程的信息是非常重要的。通过确定塑性变形的活化参数，可以对热活化过程的对比进行评价，并假设由单一的热激活控制。
所应用的分析是由Schock 提出的，并假设变形是由一个具有吉布斯自由能的单一热激活过程控制的，这样的剪切应变率a是：
方程式1
其中T为绝对温度，k为玻尔兹曼常数，ao与移动位错密度成正比，AG被认为是常数。可以表示为：
方程式2
其中AG*是激活的自由能，并描述了克服ob所需的能量。描述了在给定的应力和温度下克服障碍所需的能量。VT*是在激活事件中由机械功提供的能量贡献。V为激活量，具体公式为：
方程式3
式中，l为障碍物之间的间距，d为给定应力和温度下的有效障碍物直径，b为伯格斯向量。式(2)中的T*为总剪应力T的热应力分量，可以写为：
方程式4
Tu是非热应力分量，除了由于剪切模量(p)的温度依赖性而引起的微小变化外，它几乎与温度无关。因此，总流动应力可以表示为：
方程式5
热活化过程的特征在于参数AG,OF*和V，它们是t的函数。假设o、Tu和I独立于t和T，则参数V和AG与应力增量(0o/AT) 有关，并且(Aa/A在i)r在温度和应变速率循环试验中观察到的表达式为:
方程式6
和
方程式7
和
方程式8
方程式(6)-(8)被用来从其他地方描述的测试结果中计算v、G和OH的值。
f(=3.06)是一个泰勒系数，它考虑了材料的多晶性质，并通过t=olf将剪应力与工程应力联系起来。同样，剪切应变与工程应变的关系为a=fc。

熔炼钛合金
为了确保良好的均匀性，每个钢锭被重培数次。熔化后，对综进行1458K/140M Pa/4h的HIP(热警青压》处理(见表1)。
从铝上切下切片进行金相观察和X射线衍射分析。压缩试验试样，ima尺寸为4 mm直径X8mm长度，再通过火花腐蚀从链上切下来，并通过研制备。

图1，HIP含锯合金的显微组织: (a) 钛-45AL-10 Nb; (b)钛-45 A-5 N和(c)钛-48Al-10Nb
（一）在室温973和1173 K的缩条件下进行了应变速率循环试验
在达到1.25%塑性应变水平之前，应变率提高到62=4.17x10S-(298 K的应变率比为20，高温下的应变率比为3)。
得到稳态条件后，应变率恢复到了D1，应变速率循环过程在应变水平增加时重复，通过试验记录了力随应变的变化。
从这样的曲线图的数激活体积(1))和加工硬化率(0/p)与塑性应变的演变进行了测定。
（二）活化参数AH和AG
用温度和应变速率循环膨胀剂测定了单个压试样的激活能2(激活AH）和激活Ag的Gibbs自由能，如其他地方所解释的那样。
在T=1100 K42-4.17x10-3的条件下进行了应变速率循环试验。
在应变率为1的条件下，T2=1070 K(AT=30K）条件下进行了温度话环词验，用方程(7)和(8)分别确定了AG和Oe值，如图2所示。

图2(a)流应力的温度依赖性(含铌合金和先前研究的[6] Ti-47AI- 2Cr-O.2Si合金的J和(b)互反活化体积l/V。
（三）光学和电子显微镜
采用平均线性截距法从含铌的光学显微图中获得晶粒和菌落尺寸，表1中所示的值是由至少200个具有宽间距平行线的晶界截距确定的。
层间间隔测量从透射电子显微镜（TEM）薄箔已由混合未成形的压缩样品，检查采用飞利浦CM 200和CM 30显微镜分别在200 kV和300 kV下工作，利用透射电镜对变形为3%的样品进行了研究。

«——【·结果与讨论·】——»
氢化锭的微观结构如图1所示，Ti-45AI-lONb合金由层状菌落和层间菌落(X2和y）组成，而x射线衍射也显示存在少量的立方相，可能是f3或有序的b2相。
Das等人报道的少量六角形X*相的形成，通过光学显微镜观察，Ti-45AI- 5Nb合金组成[图1(b)]具有全层状的微观结构，虽然透射电镜检查显示存在小的y颗粒。
而x射线衍射也显示出存在少量的立方相，可能是未溶解的f3或b2，Ti-48AIlONb合金[图1(c)]和一个等轴y微的结构。

图3(a)流动应力的温度依赖性(二元合金和含铌合金的J和(b)相互活化体积l/V。
通过x射线衍射显示了少量的f3（或B2)相和(X*.用x射线衍射法在合金中检测到x2）
用x射线衍射法在含铌合金中检测到的相位见表1，Ti-45AI-5Nb的平均板层集落大小大于Ti-45AIlONb。
这可能是由于菌落间的作用(Ti-45AI-lONb）中的X2和y对层状菌落的生长有钉扎作用。
众所周知，y-钛铝化物合金的力学性能高度依赖于微观结构，因此可以预期这些合金会表现出不同的性能。
研究中三种合金的1.25%流动应力随温度的变化如图2(a).所示对于具有接近y（粒径II /lm）和接近全层状（菌落尺寸300 /lm）微结构的Ti-47AI-2Cr-0.2Si组成合金。
之前确定的1.25%流动应力值，和其并进行比较，这种合金具有典型的锻造“传统”两相材料的力学性能。

图4混合二元合金的显微结构： (a) Ti- 45Al、(b) Ti-47Al和(c) Ti-49AI
这一点超过了温度Ti-45Al-10n和Ti-45Al-2 Cr-0nb合金的陶氏应力值显著高于T-48 A1-10 Nb和Ti-47A1-2Cr-02Si两种显微组织形式。
而Ti-48AL-10 nb的流动应力明显高于Ti-47Al-2Cr-0.2si合金在室温和973K处观察到的应力值。
而Ti-47a1-2Cr-0.2Si合金在1173K处的近完全片层组织与T-45AL-10nb合金的流动应力值相近，与Chenet al提出的0.2%流动应力的高值相也一致。
图2(b)显示了在1.25%的塑性应变下测定的相互活化体积（II V）随温度的变化。
为了进行比较，图中给出了Ti- 47AI-2Cr-0.2Si近y和近全层形式的数据。
可以看出，含铌合金的IIV值与之前接近y和接近全层状Ti- 47AI-2Cr-0.2Si的IIV值非常接近。

图5.Ti-45AI-5Nb在973 K到3%的应变下变形的透射电镜图，显示了大量的I/6孪生活性
这意味着热机制控制错位迁移（变形的早期阶段）是相同的铌合金Ti-47AI-2Cr-0.2Si合金和表明大差异1.25%的流动应力的铌合金和Ti-47AI-2Cr-0.2Si合金主要来自非热滑动障碍。
考虑到这一观点，应该考虑两种可能的机制，通过固态溶液增强效应，加入铌可能会改变其对位错的滑移阻力。
此外，铌原子可以替代成钛原子的位置，因此强度的增强仅仅是合金中铝含量较低的结果。
为了区分这两种可能的解释，我们制备了三种铝含量与含铌合金相似的二元合金（Ti-47Al和Ti-49Al，见表I），并对其进行了测试。
可以获得有关铝含量对流动应力和相互活化体积的影响的信息。

图6.Ti-45AI-5Nb在973 K到3%应变下变形的透射电镜图，显示了沿层状边界堆积的孪生部分位错（箭头）
二元合金和含铌合金在不同温度下获得的1.25%流动应力值，如图3(a)所示。
对于二元合金来说，Ti-45AI在所有检测温度下的流动应力最高，而Ti-49AI则最低，因此，流动应力与含铌合金的铝含量增加趋势相同。
随着两相合金铝含量的降低，屈服强度显著提高，倒数活化体积（在1.25%塑性应变后）与试验温度的相应依赖关系，如图3(b)所示。
而二元合金的相互活化体积的估计值与含铌的估计值非常相似，其混合二元合金的显微结构几乎与铝含量无关。

图7.Ti-45AI- 5Nb在室温下变形到3%应变的透射电镜图，显示了堆积的对偶部分位错的钉扎。
此外，至少在973 K下，I/V几乎与铝含量无关。这清楚地表明，一个非热机制是负责高流动应力的低铝含二元合金。
也就是说，强度和铝含量之间的相似趋势的二进制和含铌合金，使我们相信铌替代品到钛晶格网站和高强度的强度性能含铌合金，只是减少铝含量的结果和相关的结构变化。
当然，这个假设也得到了支持，这就说明了，铌只替代成钛的位点。
在图4中，我们可以看到铝含量对于二元合金的微观结构有很大的影响。具体来说，当铝含量较高时，Ti-45AI合金的微观结构会发生全层状的变化，形成双相结构。
这意味着在这种合金中，两种不同的相（即不同的微观结构）会共存。
由于这种微观结构类型的变化以及双相特性，我们很难分辨出铝含量对于合金机械性能的独立影响。

图8。Ti-45Al-5Nb在973 K到3%的应变下变形的透射电镜图显示，在一个小的y域内有广泛的普通位错活性
性质和由微观结构的变化所引起的性质的变化。然而，很可能的数量！随着铝含量的增加，微结构层状菌落中的X21y界面会减少。
这种边界已被证明为位错提供了强大的障碍，并将作为非热障碍。
对于含有45 at.%的铝（即Ti-45AI、Ti-45AI-lONb和Ti-45AI·5Nb）我们认为，与较高的含铝合金相比，高流动应力值是由于微观结构的显著改进。
而含45 at的二元合金和三元合金之间的相对又有一些差异，铝的微观结构也并不完全相同。
«——【·结论·】——»
我们所研究的三种含铌合金的流动应力值显著高于Ti-47AI-2CrO的测量值，具有接近伽马和接近全层微结构的硅合金。
在变形到1.25%的塑性应变后，含铌合金和Ti-47AI-2Cr-O.2Si合金的相互活化体积非常相似。

图9.立体透射电镜显微图显示，在973K~3%应变下，Ti-45AI-5Nb发生了普通位错的上升（箭头所示）
这表明，含铌合金的流动应力增加是由非热位错机制引起的。
对二元合金进行的试验表明，铝含量对流动应力有显著影响，这可能是C (2含量增加的结果。结果还表明，铌对铝的强度性能和加工硬化的影响远不如对铝含量的影响显著。
事实上，铌似乎在决定这些特性方面没有发挥任何作用，这可能是这些添加对铝化钛的延性有有益的影响，但目前还没有进行研究。

来源：http://www.yidianzixun.com/article/0pSRzdV5
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