定向凝固Ni-44Ti-5Al-2Nb-1Mo合金的组织特征.pdf

航空学报 A c t aA e r O n a u t i c ae tA s t r O n a u t i c aS i n i c a J u I y2 52 0 1 1V o I3 2N o 7 1 3 4 5 1 3 5 0 I S S N1 0 0 0 - 6 8 9 3C N1 1 1 9 2 9 V h t t p ：h k x b b u a a e d u c nh k x b b u a a e d u c n 文章编号：1 0 0 0 一6 8 9 3 ( 2 0 1 1 ) 0 7 1 3 4 5 一0 6 定向凝固N i 一4 4 T i 一5 A l 一2 N b 一1 M o 合金的组织特征 潘情，郑立静，桑于蓉，周磊，李岩，张虎* 北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京 1 0 0 1 9 1 摘要：采用液态金属冷却定向凝固方法制备了N i - 4 4 T i - 5 A l - 2 N b 1 M o ( 原子分数，) 合金，分析了加热温度为 15 5 0 ，抽拉速率为o 3 、1 2 、3 0 、6 O 、1 8 om m m i n 时的定向凝固组织特征。结果表明，定向凝固没有改变合金的 相组成，但改变了组成相的形态。定向凝固组织均由初生的N i T i 相与晶间析出的T i z N i 相、富N b 的T i 2 N i 相组成，与 铸态组织相同。定向凝固后，N i T i 相发生了强烈的 1 0 0 择优取向。随着抽拉速率的增大，N i T i 相沿 1 0 0 择优取向趋 势增强，固液界面形态由发达的树枝晶变为胞状树枝晶，N i T i 枝晶及析出相T i 2 N i 、富N b 的T i z N i 明显细化。定向排列 的N i T i 枝晶组织和分布在晶间的细小析出相将有益于合金高温强度和室温塑性的提高。 关键词：金属间化合物；N i T i A l 合金；定向凝固；微观组织；抽拉速率 中图分类号：V 2 5 2 T G l 4 6 2文献标识码：A T i N i 金属间化合物具有良好的室温强度、韧 性和形状记忆效应，在航空航天和医疗等领域得 到了广泛应用 1 。2 。近年来发现将A l 作为合金化 元素加入到T i N i 基合金中可以大幅提高T i N i 合 金的室温和高温力学性能，但作为一种潜在的新 一代航空发动机用高温结构金属间化合物材料， 简单的T i N i A l 三元合金难以满足室温韧性、高 温强度和高温抗氧化性能之间的匹配要求 3 弓 。 近期研究表明，在三元的“N i A l 合金中加 入N b 、M o 可以进一步改善合金的综合性能。在 富T i 的T i N i A l 中加入N b ，显著改善合金的高 温抗氧化性能和从室温到7 0 0 之间的强度，在 6 0 0 时，其压缩屈服强度和比强度分别达到 12 3 7M P a 和2 1 6M P a ( g 锄- 3 ) ，超过了R e n e 9 5 高温合金，同时合金达到了7 0 0 完全抗氧化和 8 0 0 抗氧化的能力睁胡；加入M o 可以使合金的室 温压缩屈服强度达到11 0 0 19 0 0M P a 9 1 ，但室温 塑性有所下降。 金属间化合物材料的力学性能对制备工艺和 组织特征非常敏感。目前T i N i A l 合金制备均采 用磁悬浮水冷铜坩埚或氧化钙坩埚真空感应熔 炼、石墨型浇注铸锭，然后进行热机械处理。采用 定向凝固工艺能够实现组织的定向生长和精确控 制，减少缩孔缩松缺陷，进而提高材料的室温和高 温力学性能。鉴于此，本文采用液态金属冷却定 向凝固技术，研究凝固工艺条件对N i T i A l N b M o 合金定向凝固组织的影响，探索相组成及其 形态特征与凝固条件之间的关系，为N i T i A l 合 金的性能优化和组织控制提供新的途径。 1 实验方法 选用纯度为9 9 7 6 的海绵钛、9 9 9 8 的镍 块、9 9 9 9 的铝锭、9 9 8 7 的铌片和9 9 9 0 的 钼棒为原料，使用磁悬浮真空感应熔炼炉，在高纯 氩气保护下熔炼名义成分为N i 一4 4 T i 一5 A l 一2 N b 一 1 M o ( 原子分数，) 的母合金，反复熔炼4 遍后浇 收稿日期：2 们0 - 1 0 2 5 ；退修日期：2 0 1 0 1 2 _ 2 9 ；录用日期：2 0 1 1 - 0 1 - 2 3 ；网络出版时间：2 0 1 1 0 4 - 0 21 8 ：0 1 ：1 4 网络出版地址：w w w n 舱t k c m s d e t a 1 1 1 9 2 9 V 2 0 1 1 0 4 0 2 1 8 0 1 0 0 5 h t m ID O I ：C N K I ：1 1 - 1 9 2 9 V 2 0 1 1 0 4 0 2 1 8 0 1 0 0 5 * 通讯作者T e l ：0 1 0 8 2 3 1 6 9 5 8E 椭i I = z h a n g h u b u 缸e d u 罩l 塌格式t 潘情郑立静桑f 蓉等j 定向凝固N 4 4 T i - 5 A | 2 袖卜1 M o 合金的组织特征 J 航空学报2 0 1 1 3 2 ( 7 ) ：1 3 4 5 1 3 5 0 P 钢 Q i n g Z b g L i i i n g s 8 n gY u 暇叼e ta lM i c r o s t r u c t u f 8 | c 阳r a c I e r l s t l o td e c t i o n a | | ys o l | a n 剐a | I o y sN t 4 4 T | 5 A I 一2 N b _ 1 M oC J A c t aA e r o n a u t i e tA s t Q n a u t | s t n | 髓。2 0 1 1 3 2 ( 7 ) ；| 3 4 5 一1 3 5 0 ， 万方数据 航 空学报 J u I y2 52 0 1 1V o I 3 2N o 7 注到石墨型中，铸锭质量约5k g 。线切割切取 巧1 4m m 圆棒，车除氧化皮，超声清洗烘干后装入 内径为1 3 5m m 、长度为2 4 0m m 的Y 2 0 3 A 1 2 0 3 双层结构陶瓷管 1 0 ，然后一并装人B r i g m a n 型 液态金属冷却定向凝固炉。抽真空到6 O 1 0 _ 3P a ，再充高纯氩气至o 0 5M P a ，将试样加热 至15 5 0 ，并保温2 0m i n ，分别以o 3 、1 2 、 3 o 、6 O 、1 8 0m m m i n 的速率抽拉1 5 0m m 后 淬人液态G a I n S n 合金中。实验过程中利用钨一 铼电偶测温，所测温度为模壳外侧温度，测量位置 位于试棒最顶端向下约2 5m m 处。 将定向凝固试样分别沿纵截面和横截面剖 开、研磨、抛光，采用体积比为1 ：4 ：5 的H F ： H N O 。：H 。O 混合液腐蚀，用配有能谱仪( E D S ) 的J X A 8 1 0 0 型电子探针( E P M A ) 和C a m b r i d g e 3 4 0 0 型扫描电镜( S E M ) 观察显微组织观察和成分 分析，用D m a x 2 2 0 0 p cX 射线衍射仪( ) 进行 磁悬浮熔炼铸锭及定向凝固试样的物相分析，所用 射线为C u K a ，电压为4 0k V ，电流为4 0m A ，连续 扫描步进速度为6 ( 。) m i n ，扫描范围为2 0 。9 0 。 2 实验结果与分析 2 1 定向凝固试样宏观组织 不同抽拉速率下定向凝固试样的纵截面宏观 组织如图1 所示。可见，每个试样均存在两个界 面，一个为开始抽拉界面，即未熔区与定向凝固生 长区的界面( 试样左侧界面) ，另一个为淬火界面， 图1不同抽拉速率下定向凝固试样的纵截面宏观组织 F i g 1L o n g i t u d i n a 】s e c t i o nm a c r o s t r u c t u r e so fd i r e c t i o n a 】ys o l i d i “e d ( D S ) i n g o t sg r o w na td i f f e r e n tw i t h d r a w a Ir a t e s 即定向凝固生长区与淬火区界面( 试样右侧所 示) 。两个界面之间具有良好的定向生长效果。 2 2 合金的相组成与择优取向 母合金锭铸态以及加热温度为15 5 0 ，抽拉 速率分别为0 3 、1 2 、3 o 、6 O 、1 8 Om m r n j n 的定 向凝固稳态生长区横截面的m 谱如图2 所示。 可见，定向与铸态组织组成相同，均由N i T i 、T i 。N i 两相组成；定向凝固X R D 谱图峰有减少趋势，并随 着抽拉速率的增加，N i T i 的主衍射峰 1 0 0 强度基 本呈现先略微减小后明显增大的趋势。这表明经 过定向凝固，N i “相发生了强烈的 1 0 0 择优取向， 而且随抽拉速率提高，定向效果增强。 o 穹 蚤 。晶 皇 三 2 酬( 。) 图2 合金铸态与定向凝固态的X R D 谱 F i g 2X r a yd i f f r a c t i o np a t t e m so fa s c a s ta n dD Sa l l o y s 随着抽拉速率的增大，N i T i 的主衍射峰 1 0 0 向高角度一侧偏移。这可能是由于N i T i 基 体中固溶有更多的A l 取代T i 的位置，A l 的原子 半径小于T i ，导致N i T i 晶格常数逐渐变小，N i T i 衍射峰向右偏移。 母合金锭铸态显微组织如图3 所示。可见， 铸态合金主要由衬度为灰色、黑色和白色的3 种 相组成。结合D 分析结果和E D S 能谱分析( 表 1 ) 可知，灰色相是固溶有A l 、M o 、N b 的近等原子比 的N i T i 基体相，深灰色相与浅灰色相的区别是深 灰色基体相中固溶的N b 、A l 更少；黑色相是固溶 有、N b 的析出相T i ：N i 相；白色相组织为富N b 的T i ：N i 组织，其中N b 的原子分数高达1 7 6 5 。 白色富N b 相为N b 偏聚于第二相T i ：N i 中形成， 其硬度比T i ：N i 高 1 1 1 ，在该合金中为强化相。 万方数据 潘情等：定向凝固N i 一4 4 T i 一5 A l 一2 N b l M o 合金的组织特征 1 3 4 7 N r r 坐坠竺 图3 铸态合金显微组织背散射照片， F i g 3 B a c k s c a t t e r e dS E Mi 啪g eo fa s c a s ts p e c i m e n 表l 铸态组织E D S 能谱分析 T a b l el柚p I t i 蚰o fc 佃s 6 t 蚰tp h 鹪笛i na 争嘲ts p i 。 m e 璐 a t 2 3 定向凝固稳态生长区组织特征 图4 是不同抽拉速率下的定向凝固稳态生长 区横截面的背散射照片。 由图4 可见，在不同抽拉速率下，定向凝固组 织均由初生的N i T i 相与晶间析出的T i 。N i 相、富 N b 的T i ：N i 相组成，并随着抽拉速率的增大明显 细化。基体N i T i 相呈胞状分布，胞状中心衬度暗 于胞周围；黑色的T i ：N i 相与白色的富N b 的 T i 。N i 相分布于胞状间隙；随抽拉速率增大，N i T i C O M P 2 0 0I O O u m ( a ) O 3m m m i I l c O M P ! ! ! 凹 ( b ) 1 2 m 删m j I l 。! 竺竺! 坐 ( d ) 6 0 m I 曲n 缸 c o M P ! ! ! g 望 ( e ) 1 8 Om m m j n 图4 不同抽拉速率条件下定向凝固稳态区横截面背散 射照片 F i g 4 T r a l l s v e r s eE P M Ai m a g e so fs t e a d ) rs t a t ez o n eo f D Si n g o t sg r o w na td 玎f e r e n tw i t h d r a w a lr a t e s 万方数据 航空学报 J u I y2 52 0 1 1V o I 3 2 7 胞变小，在O 3m m m i n 条件下，胞尺寸为1 5 0 2 0 0 ”m ，当抽拉速率为1 8 om m m i n 时，胞尺寸 为1 0 1 5 肚m 。第二相T i 2 N i 以及富N b 的T i 2 N i 相尺寸均随抽拉速率增大而减小。 胞状组织内部衬度的变化应该和N b 含量的 变化有关。在非平衡凝固时，由于溶质在固相中 的扩散不能充分进行，枝晶心部溶质浓度低，而枝 晶边缘浓度高，从而导致胞状组织中心衬度高于 胞体周围。 f 塑竺! ! 竺P ， ( a ) O 3 删皿，m i T I ( c ) 1 2 删蛐 2 4 固液界面形态的变化 图5 为加热温度15 5 0 ，抽拉速率分别为 O 3 、1 2 、3 0 、6 0 、1 8 Om m l T l i n 时淬火获得的定 向凝固固液界面形貌。由图5 ( a ) 和图5 ( c ) 可以 看出，在抽拉速率为O 3 眦n r n j n 和1 2m m r n j n 时，固液界面为较为发达的树枝晶结构，有明显的 二次枝晶臂，白色富N b 的T i 。N i 相填充于树枝 晶间隙。由图5 ( a ) 的局部放大照片( 见图5 ( b ) ) ( b ) E I l l a r g 啪e I I to f ( a ) c o M 9 1 1 竺 ( d ) 3 O m m m i I I ：o M P l ! ! 幽 c o M P l o 岬 ( c ) 6 0m I I 岫i n( f ) l8 Om m m i n 图5 不同抽拉速率条件下固液界面纵截面形态 F i 卫5M o r D h o l o a i e so ft h es o l i d l i a u i di n t e r f a c e so fD Si n c o t sa r o w na td i f f e r e n tw i t h d r a w a lr a t e 宴 口o=釜口923 万方数据 潘情等：定向凝固N i 一4 4 T i 一5 A 1 - 2 N b 一1 M o 合金的组织特征 可以看到，枝晶间由三相组成，灰色的T i N i 相、黑 色的T i ：N i 相以及白色的富N b 相。白色富N b 相连成网状，黑色相形貌呈骨骼状，且尺寸相对于 白色相细小。 当抽拉速率上升到3 Om m m i n 时，固液界 面处的组织与0 3m m m i n 和1 2m m m i n 时有 显著差别，如图5 ( d ) ，已经看不到发达的二次枝 晶臂，枝晶变得细小。当抽拉速率为6 om m m i n 时，固液界面处枝晶开始向胞枝晶转变，如图 5 ( e ) 。在快淬部位很难观察到固液共存糊状凝 固区，但淬火界面上、下组织形貌有尺度上的差 异，界面之下为较粗大的胞枝晶组织，界面之上为 相对细小的胞枝晶组织。当抽拉速率为 1 8 0m m I I l i n 时淬火界面不明显，如图5 ( f ) 所示。 综上可见，当抽拉速率为O 3 、1 2 、3 om m m i n 时，固液界面为树枝晶界面；当抽拉速率增 大到6 Om m m i n 时，呈现胞状树枝晶界面。 2 5 讨论 合金在单向凝固条件下，胞枝晶一次臂间距 A 1 和生长速率V 、温度梯度G 之间的关系为 1 2 | ：1 1 一口G 一1 2 V 1 4( 1 ) 式中：口为材料的物性参数，其为常数。图6 是本 实验条件下稳态区定向胞晶间距A 。与凝固参量 G - 1 2 V 1 八的关系。可以看出，二者近似于线性关 系，实验所得结果与理论模型较为吻合。 ( 产”2 r ，4 ( p m s _ “4 ) 图6稳态区胞晶间距A 。与凝固参量G 1 心y 1 n 的关系 F i g 6D e p e n d e n c eo fc e l l u l a rs p a c i n g | ：L 1o nG 一1 ，2 y 一1 从凝固组织优化和工艺控制角度出发，N i 一 4 4 T i 一5 A l 一2 N b 一1 M o 合金定向凝固生长时，加热温 度为15 5 0 ，随着抽拉速率的增大，胞枝晶一 次臂间距减小，初生的N i T i 相以及第二相尺寸均 减小，定向排列的N i T i 枝晶组织和分布在晶间的 细小T i 。N i 析出相将有益于合金高温强度和室温 塑性的提高。 3 结论 ( 1 ) 定向凝固没有改变N i 4 4 T i - 5 A 1 2 N b - 1 M o 合金的相组成，但改变了组成相的形态。定向凝固 组织均由初生的N i T i 相与晶间析出的T i 2 N i 相、 富N b 的T i ：N i 相组成，与铸态组织相同。定向凝 固后，N i T i 相发生了强烈的 1 0 0 择优取向。 ( 2 ) 随着抽拉速率的增大，N i T i 相沿 1 0 0 择优取向趋势增强，固液界面形态由发达的树枝 晶变为胞状树枝晶，N i T i 枝晶及析出相T i 。N i 、富 N b 的T i 2N i 明显细化。 参考文献 1 0 t s u k aK w a y m a ncM s h a p em e m o r ym a t e r i a l s M L o n d o n ：C a m b “d g eU n i v e r s i t yP r e s s ，1 9 9 8 ：1 2 D u e r i gTw ，M e l t o nKN ，P r o f tJL E n g i n e e r i n ga s p e c t s o fs h a p em e m o r ya l l o y s M L o n d o n ：B t t e r w o r t h - H e i n e m a n n ，1 9 9 0 ：1 3 0 3 w a r r e nP 。M u r a k a m iY ，K o i z u m iY ，e ta 1 P h a 3 es e p a r a t i o ni nN i T i N i 2T i A la l l o y8 y s t e m J M a t e r i a l sS c i e n c e a n dE n g i n e e r i n gA ，1 9 9 7 ，2 2 3 ( 1 2 ) l3 6 4 1 4 J u n gJ ，G h o s hG 。O l s o nGB Ac o m p a r a t i v es t u d yo fp r e c i p i t a t i o nb e h a “o ro fH e u s l e rp h a s e ( N i 2T i A l ) f r o mB 2 一 T i N ii nN i T i _ A la n dN i T i A l X ( X = H f ，P d ，P t 。Z r ) a l l o y s J A c t aM a t e r i a l i a 。2 0 0 3 ，5 1 ( 2 0 ) ：6 3 4 1 6 3 5 7 5 H u n e a uB ，R o g lP ，Z e n gK ，e ta 1 T h et e m a r ys y s t e m A l N i - T iP a r tl ：i s o t h e m a ls e c t i o na t9 0 0 lE x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o na n dt h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n J I n t e r m e t a l l i c s ，1 9 9 9 ，7 ( 1 2 ) ：1 3 3 7 1 3 4 5 6 徐舰，赵新青，宫声凯，等N b 对于T i N i A l 高温氧化行 为的影响 J 金属学报，2 0 0 6 ，4 2 ( 8 ) ：8 2 0 一8 2 6 X uJ i a n ，Z h a oX i n q i n g ，G o n gS h e n g k a i ，e ta 1 E f f e c to f N bo nt h eh i g ht e m p e r a t u r eo 】c i d a t i o nb e h a v i o ro fT i N i A l a l l o y s J A c t aM e t a l l u r g i c as i n i c a ，2 0 0 6 ，4 2 ( 8 ) ：8 2 0 - 8 2 6 ( i nC h i n e s e ) 7 盂令杰，李岩，赵新青，等N b 对富钛T i N i A l 金属间化 合物强化机制的影响 J 航空学报，2 0 0 7 ，2 8 ( 5 ) ：1 2 0 6 1 2 0 9 M e n gL i n g j i e ，L iY a n ，Z h a oX i n q i n g ，e ta 1 E f f e c to fN b o ns t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mo fT i - r i c hT i N i A li n t e r m e t a l l i c s J A c t aA e r o n a u t i c ae tA s t r o n a u t i c aS i n i c a ，2 0 0 7 ， 2 8 ( 5 ) ：1 2 0 6 一1 2 0 9 ( i nC h i n e s e ) 8 盂令杰N i T i A l 高温结构材料的研究 D 北京：北京航 万方数据 P A NQ i n g ，Z H E N GL n g ，S A N GY u r o n g ，Z H O UL e i ，L IY a n ，Z H A N GH u * s c h o o lo M m e r i 翻ss c i e n c e dE n g I n r n g ，B e ih a I 崦U n t v e r s 谴y ，B e i j i n g 1 0 0 1 9 1 ，c h i f x l A b 8 ”a c t ：A I I o yN j 4 4 T j 5 A l 。2 N b 1 M o ( a t o m i cf r a c t i ，) i sd r e c t o n a ys o I d i f i e d ( D S ) a tac o n s t 钔tt e m p e r a 仙r e ( 15 5 0 ) i nar a n g eo fw i t h d r a w a lr a t e s ( 0 3 ，1 2 ，3 0 ，6 0 ，1 8 0m m m i n ) b yI I q u i dm e t a Ic o o I i n gt e c h n o l o g y ，A ni n v e s t i g a t i o no f t h em i c r O s t r u c t u r a Ic h a r a c t e r j s t j c sj n d i c a t e st h a t t h eD Sp r o c e s sd on o ta 仃e c tt h ep h ec o m p O s i t i o n ，b u tt h e yd oc h 鲫g e t h ep h a s em o r p h O I o g yo ft h ea I l o y T h ep h a s ec o m p o s i t i o no fD Ss a m p I e sr e m a i n st h es a m ea st h a to ft h ea S - c a s ts p e c i m e n ， w h i c hi sc o m p o s e do fN i T i ( B 2 ) ，T 2 N ja n dN b - r i c hT i 2 N ip h a s e s A f t e rD S ， 1 0 0 b e c o m e st h ep r e f e r r e do r i e n t a t i o n nt h e N I T im a t r I x W t ht h ew t h d r a w a Ir a t ej n c r e a s i n g