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文 |奇怪探索馆

编辑 |奇怪探索馆

引言

TiAl合金作为一种新型高温轻质结构材料,因其 低密度、高温强度高、高模量和优良的抗氧化性 等特点,已被广泛应用于航空、汽车等领域，但是TiAl合金低的室温塑性和相对较低的抗蠕变性能限制了其进一步应用。

大量研究表明,TiAl合金室温下的塑性、断裂韧度主要依赖于显微组织,通过优化合金成分,调控组织结构和相组成能够起到提高TiAl合金综合性能的作用。

在TiAl基合金中添加W可改善其高温强度、抗蠕变性能和抗氧化性，W具有很强的稳定β相作用,W原子半径较大并且扩散缓慢,能使扩散控制变形过程的动力学降低,从而改善合金的蠕变能力。

HODGEAM等研究了W含量对近片层TiAl合金抗蠕变性能的影响,发现W可提高合金的抗蠕变性能,但是过量W会导致大量β相的形成,从而对合金的蠕变强度产生不利影响。

刘自成等研究了W微合金化对高Nb-TiAl合金组织及性能的影响,发现添加少量W可以改变高Nb-TiAl合金的铸态组织;同时少量W能提高高Nb含量的TiAl合金的室温及高温强度,但对其室温塑性影响不大。

目前关于W对TiAl合金影响的研究主要局限于一些添加微量W的TiAl合金,而增加W含量有利于提高TiAl合金的使用温度,同时添加W引起TiAl合金的枝晶偏析程度尚未深入研究。

因此,研究不同W含量对TiAl合金显微组织及力学性能的影响有必要。

本研究通过研究不同W含量对Ti-48Al合金组织和力学性能的影响,对比不同W含量的TiAl合金相的偏析及分布,及其对力学性能造成的影响,旨在为开发和设计优化合金性能提供参考。

1、试验材料及方法

选用名义成分为Ti-48Al-xW(x=0,2,4,6,摩尔分数,下同)的合金作为研究对象，以质量分数为99.99%的高纯Ti、高纯Al和高纯W为原料,利用真空电弧熔炼技术制备得到尺寸为65mm×30mm×10mm的Ti-48Al-xW铸态合金块。

为确保合金成分均匀,将铸锭重熔5次，采用线切割从铸块中部切取尺寸为10mm×10×mm×4mm的试样用于组织观察,再切取ϕ4mm×6mm的压缩试样,见图1。

用SiC砂纸将试样表面从0号打磨至2000号,经机械抛光后制成所需试样。

合金的显微组织采用SU8010型冷场发射扫描电镜(SEM)及配套的能谱仪(EDS)进行观察，物相分析选用BrukerD8AdvanceX射线衍射仪(XRD),测试角度范围为20°~90°,扫描速度为2°/min。

压缩性能测试在MTS型万能材料试验机上进行,压头下压速度为0.2mm/min，压缩后的试样采用SEM观察断口形貌,以分析合金的断裂机理。

2、试验结果与讨论

2.1W含量对合金显微组织的影响

图2为Ti-48Al-xW合金的XRD图谱，可以看到， Ti-48Al二元合金中主要检测到γ-TiAl相和α2-Ti3Al相衍射峰。

随着W含量增加,α2相衍射峰强度明显降低,γ相衍射峰强度呈升高趋势，添加W后合金中检测到B2相，且B2相衍射峰强度逐渐增强，这是由于添加β相稳定元素W后，高温下产生的部分β相被保留下来，在室温下以有序的B2相存在。

图3为铸态Ti-48Al-xW合金SEM形貌，从图3a可以看出,Ti-48Al合金的室温组织主要由典型的(γ+α2)片层组织和少量枝晶间γ相组成，添加W后合金组织都存在树枝晶偏析。

当W含量为2%时，树枝晶比较粗大，枝晶内部有亮白色线条状析出相，并且在亮白色析出相附近存在少量细小的亮白色和暗灰色混合结构。

当W含量增加至6%时,树枝晶结构明显细化,枝晶内部线条状析出物和(B2+γ)混合组织含量也明显增多 ，见图3d。

此外,随着W含量增加,树枝晶逐渐细化,二次枝晶平均间距从20μm减小到10μm,并且枝晶组织细化程度逐渐减小。

表1为图3c中标注点的EDS分析结果。

根据EDS和XRD的结果分析,A处深灰色衬度区域富Al贫W,为γ相偏析区域,B处晶干灰白色片层组织为(γ+α2)相,C点白色析出物的Ti、Al和W元素的摩尔分数可见其为B2相,D区域亮白色颗粒摩尔分数为:50.17%的Ti、48.20%的Al、1.63%的W,暗灰色相摩尔分数为:50.33%的Ti、48.49%的Al、1.18%的W,推测其为(B2+γ)混合结构,与研究结果一致。

图4为Ti-48Al-4W合金的局部EDS元素面扫描分布图，可以看出， Ti元素均匀分布,Al元素富集在γ相中,分布于枝晶间区域,W主要富集在枝晶干和B2相中。

Ti的浓度在各相中变化不大,B2中W的浓度远高于γ中的浓度,而Al的浓度则低于γ中的浓度,说明了W在B2相区取代Al原子的位置。

W被认为是一种很强的β相稳定剂，其原子半径大且扩散速率缓慢,使得Ti-Al相图中(α+γ)相区温度提高,β相区向高Al含量方向扩展，结合二元Ti-Al合金相图,可推测Ti-48Al-xW合金凝固路径为L→L+β→L+α+β→α+β→α+γ+β→γ+α2+B2，Ti-48AlxW合金凝固机理见图5。

β相首先在液相中析出生成β枝晶骨架,到达包晶点后,α相在β相表面形核长大,发生L+β→α包晶反应,消耗初生的β相，由于β相稳定元素W在β相中大量富*会集**使β/α转变温度降低,并且W的扩散速率缓慢,在较快的冷却速率下,L+β→α包晶反应不彻底,因此会出现残留的β相,低温时有序转变为B2相。

此外,包晶反应伴随着原子扩散，W向残余β相中扩散，Al向α相中扩散，因此在枝晶间区域形成富Al少Ti贫W的元素偏析，在随后的冷却过程中转变为枝晶间γ相，随着反应继续进行，α→γ+α2固态相变形成(γ+α2)片层结构，一部分的γ片层来自α→α+γ固相转变与残留的β相组成了β(B2)+γ混合结构。

2.2W含量对合金力学性能的影响

图6为Ti-48Al-xW合金室温压缩应力-应变曲线和压缩性能，由图6a可看出， W使得Ti-48Al合金的压缩性能被显著提高。

W含量为0时,Ti-48Al合金的抗压强度和压缩率仅为1169.49MPa和27.13%，当W含量为2%时，合金的抗压强度明显提高，这是因为 W可以通过降低层错能和降低扩散速率起到固溶强化的作用，从而稳定(α2+γ)片层结构 ，且适量的B2相可以阻碍位错或界面的运动，使合金的强度和塑性得到提高。

W加入后对Ti-48Al合金性能的改善在W含量为4%时最为明显，抗压强度和压缩率分别提高到1750.07MPa和28.18%，但塑性已经有所降低，这是由于W含量为4%的合金断裂特征以穿片层断裂为主，压应力会穿过片层界面，从而导致较高的强度和较低的塑性。

当W含量高于4%时，合金的强度和塑性降低,这可能是由于W含量过高，β相偏析和枝晶间显微偏析的γ相体积分数增大，室温下大量的B2相在α2/γ界面析出，增加了晶界脆性，说明 过量地引入B2相对TiAl合金的力学性能会造成不利影响。

图7为Ti-48Al-xW合金的室温压缩断口形貌，可以看出,断口形貌特征属于穿片层断裂和层间断裂混合模式。

在Ti-48Al合金中，断裂模式主要以层间断裂为主，穿片层断裂的典型阶梯状形貌仅偶尔出现，层间断裂表现出大量的滑移平面，表明合金的塑性较低，见图7a。

W含量为2%时合金的断裂形貌以穿片层断裂为主 ，由于压缩过程中压应力的存在，会导致微裂纹从应力集中处萌生和扩展,还有许多相界断裂引起的二次裂纹，见图7b。

W含量为4%的合金断口形貌特征和W含量为6%的相似，以穿片层断裂为主，层间断裂为辅，穿片层断裂是由于合金片层的取向与压应力方向保持平行或与压缩方向形成小角度时，应力切断片层结构，形成典型的撕裂边特征，这类断裂模式属于典型的脆性断裂，表现出较高的强度和较低的塑性，试验结果也与之一致。

通过添加β相稳定元素W，能够较好地稳定高对称性的B2相形核，无序的β相在高温下能够提供足够的独立滑移系统，从而改善合金的高温强度和抗蠕变性能。

当W含量为6%时，合金强度和塑性明显下降，这是因为W过量加入，合金组织出现严重的偏析(见图3d)且在室温下有大量的B2相保留下来，进而对合金的室温强度和塑性造成不利影响，压缩试验结果也印证了上述分析。

3、结论

W含量为2%、4%和6%时，Ti-48Al-xW合金组织为树枝晶形貌，在枝晶内部有B2相析出， 随着W含量增加，树枝晶组织逐渐细化，B2相体积分数也逐渐增多。

W的添加使Ti-48Al合金强度和塑性提高，Ti48Al-4W合金具的压缩强度为1750.07MPa，Ti-48Al-2W合金的抗压率为29.15%。

未添加W时，合金以层间断裂为主，W含量为2%、4%和6%时，合金的断裂模式相似，都是以典型的穿片层断裂为主。

W的缓慢扩散起到固溶强化作用，稳定了(γ+α2)片层组织，提高了Ti-48Al合金的强度和塑性， W含量达到4%后生成大量的B2相会对合金的强度产生不利影响。