V元素摻雜對粉末冶金Ti2AlNb合金顯微組織的影響

李 博，王俊勃，劉江南，竇 博，黃 晟，王振楠，梅金娜

(1.西安工程大學(xué), 陜西 西安 710048)(2.蘇州熱工研究院有限公司, 江蘇 蘇州 215004)

Ti2AlNb合金為Ti-Al系金屬間化合物合金，在高溫狀態(tài)下具有較高的強度、優(yōu)異的抗蠕變性能及斷裂韌性，是國內(nèi)外先進航空發(fā)動機關(guān)鍵部件的優(yōu)選材料之一[1-3]。Ti2AlNb合金以正交結(jié)構(gòu)O相為基礎(chǔ)相，主要組成相包括α2相、B2相和O相。其中，α2相化學(xué)組成為Ti3Al或(Ti,Nb)3Al，具有hcp結(jié)構(gòu)；B2相化學(xué)組成為Ti中固溶Nb、Al元素，屬于有序bcc結(jié)構(gòu)；O相的化學(xué)組成為Ti2AlNb，是具有Cmcm空間群的三元有序正交晶體結(jié)構(gòu)。

目前，主要采用精密鑄造或鍛造+焊接工藝制備Ti2AlNb合金構(gòu)件，但因構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在難以完全解決的縮孔、疏松、成分偏析等問題，導(dǎo)致廢品率高且構(gòu)件使用可靠性受到影響[4]。

粉末冶金技術(shù)能夠有效解決上述工藝中存在的問題，但若燒結(jié)工藝選擇不當(dāng)會導(dǎo)致粉末被氧化繼而試樣發(fā)生脆裂。放電等離子燒結(jié)(spark plasma sintering，SPS)是一種新型粉末冶金技術(shù)，通過真空脫氣處理可有效避免燒結(jié)過程中粉末元素被氧化，是制備Ti2AlNb合金的主要方法之一。目前，相關(guān)研究主要集中在通過成分優(yōu)化和改進熱處理工藝來提高Ti2AlNb合金的綜合性能[5-9]。已有研究表明[10-12]，摻雜V元素可提供額外的載流子，進而影響金屬的結(jié)晶行為，提高Ti2AlNb合金的非晶穩(wěn)定性，從而改善其塑性。但關(guān)于V摻雜量對Ti2AlNb合金顯微組織影響機理的研究尚不完善。

本研究首先采用高能球磨法制備摻雜V元素的Ti2AlNb預(yù)合金粉末，再利用SPS工藝制備Ti2AlNb合金，并對其顯微組織及相結(jié)構(gòu)進行研究，以探究V元素摻雜量對Ti2AlNb合金顯微組織的影響機理。

1 實 驗

以Al-Ti合金粉(粒徑75 μm)、Ti單質(zhì)粉、Nb單質(zhì)粉、V單質(zhì)粉為原料，采用濕法高能球磨工藝制備Ti2AlNb預(yù)合金粉末。分散劑為無水乙醇，大、中、小磨球比例為1∶1∶1。表1為Ti2AlNb預(yù)合金粉末的化學(xué)成分配比。

表1 Ti2AlNb預(yù)合金粉末的化學(xué)成分配比(at%)

將Ti2AlNb預(yù)合金粉末置入模具中進行冷壓成型，成型壓力600 MPa，保壓時間5 min。對冷壓成型后的壓坯進行200 ℃/2 h退火處理，以降低壓坯內(nèi)應(yīng)力。采用SPS工藝制備Ti2AlNb合金，燒結(jié)溫度1050 ℃，燒結(jié)壓力24 MPa，保溫時間20 min。圖1為Ti2AlNb合金制備工藝示意圖。

圖1 Ti2AlNb合金制備工藝示意圖

利用掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)和X射線衍射儀(XRD)對Ti2AlNb預(yù)合金粉末及燒結(jié)合金的顯微組織、微區(qū)成分和物相結(jié)構(gòu)進行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)合金粉末的組織變化

圖2為Ti2AlNb預(yù)合金粉末球磨前、球磨后及退火后的微觀形貌。從圖2可以看出，球磨前粉末呈不規(guī)則的塊狀，球磨后粉末出現(xiàn)細小的胞狀晶，胞狀晶直徑為3～6 μm。經(jīng)過200 ℃/2 h退火后，粉末的胞狀晶尺寸與分布較為均勻，直徑為5.6～18.6 μm。對比圖2b、2c可以看出，退火后粉末的胞狀晶顯著長大。

圖2 Ti2AlNb預(yù)合金粉末的微觀形貌

圖3為Ti2AlNb預(yù)合金粉末在球磨與退火處理過程中微觀形貌變化的示意圖。球磨過程中，合金粉末發(fā)生了冷焊、斷裂、復(fù)合過程[5]。Ti2AlNb預(yù)合金粉末承受了來自高能球磨的能量，使得粉末內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力[13]。退火過程中，內(nèi)應(yīng)力得以釋放[9]，胞狀晶獲得生長。

圖3 Ti2AlNb預(yù)合金粉末微觀形貌變化示意圖

圖4為退火后Ti2AlNb預(yù)合金粉末的XRD圖譜。從圖4可以看出，預(yù)合金粉末以bcc結(jié)構(gòu)的β相為主，沒有氧化物相存在。這說明Ti2AlNb預(yù)合金粉末未發(fā)生氧化，可以進行SPS熱壓燒結(jié)[14]。

圖4 退火后Ti2AlNb預(yù)合金粉末的XRD圖譜

2.2 V元素對Ti2AlNb合金組織的影響機理分析

V元素摻入Ti基合金中易形成共價鍵，達到強化晶界強度的作用。根據(jù)V元素在Ti-Al系合金中的基本特性[15-17]，提出一種新的假設(shè)：

(1) V元素的摻入對合金的結(jié)晶方式有很大影響。攜帶載流子的V原子會占據(jù)O相(Cmcm三元正交結(jié)構(gòu))中原本Ti原子的位置，造成晶格畸變，如圖5所示。

圖5 O相結(jié)構(gòu)示意

(2) 圖6為V元素摻入對Ti2AlNb合金相變的影響示意圖。摻入V元素后，Ti2AlNb合金中hcp結(jié)構(gòu)向bcc結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化受阻，以下轉(zhuǎn)變受到抑制：

基于以上假設(shè)，對V含量0%～3%(原子分數(shù)，下同)的Ti2AlNb合金分別進行XRD、SEM及EDS分析，驗證假設(shè)的合理性。

2.2.1 XRD分析

圖7為不同V含量Ti2AlNb合金的XRD圖譜。從圖7可以看出，無V的 Ti2AlNb合金中有少量α2、B2和O相存在。添加V元素后，合金中出現(xiàn)大量新生α2相(α′相)，且O相衍射峰強度增大，說明適量添加V元素對合金中α2相與O相的形成具有增強作用。V含量為2%時，Ti2AlNb合金的α2相衍射峰強度最大，V含量增大到3%時，α2相衍射峰強度明顯降低。

圖7 不同V含量Ti2AlNb合金的XRD圖譜

以上各相含量隨V含量變化的特征與V原子填補Ti原子位置造成晶格畸變的機制相符，表明了假設(shè)(1)占位機制的合理性。被占據(jù)的Ti位置有限，當(dāng)Ti位置被全部占據(jù)時，抑制hcp結(jié)構(gòu)向bcc結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的作用達到最大。隨著V含量的繼續(xù)增大，V原子無法占據(jù)更多點位，只能游離于O相之外，抑制作用減弱，α2相含量降低。因O相存在于B2相(hcp結(jié)構(gòu))上，其含量也相應(yīng)降低。

2.2.2 微觀形貌及能譜分析

為進一步探究V元素對Ti2AlNb合金組織中相的影響及假設(shè)的合理性，結(jié)合XRD物相分析結(jié)果，對4組SPS燒結(jié)試樣進行微區(qū)成分分析。圖8為不同V含量Ti2AlNb合金的顯微組織及能譜分析結(jié)果。在相同SPS燒結(jié)工藝下，不含V的Ti2AlNb合金各相邊界明顯，基體部分有少量針狀晶出現(xiàn)。隨著V元素含量的增加，邊界尖銳的長條狀組織逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉植季鶆蚯疫吔鐖A潤的塊狀組織，當(dāng)V含量為3%時,Ti2AlNb合金中出現(xiàn)了網(wǎng)籃組織，基體中分布有細小均勻的層片組織。

由圖8a可知，A區(qū)域Ti元素含量達94.69%，以Ti單質(zhì)相為主，伴有少量α2相； B區(qū)域主要成分為(Ti，Nb)3Al與Ti2AlNb，結(jié)合XRD分析結(jié)果，為B2相與O相(基體部分為B2相，針狀晶為O相)。由圖8b可知，A區(qū)域為有V元素摻雜的O相與少量α2相，B區(qū)域為B2相與α2相。結(jié)合XRD分析結(jié)果，B區(qū)域的α2相為添加V元素后產(chǎn)生的新生α2相。由圖8c可知，Ti2AlNb-2V合金與Ti2AlNb-1V合金組織及其相應(yīng)區(qū)域元素比例相似，A區(qū)域為含有V元素的O相與少量未轉(zhuǎn)化完全的α2相，B區(qū)域為B2相與α2相。由圖8d可知，Ti2AlNb-3V合金組織中出現(xiàn)了均勻?qū)悠瑺罹W(wǎng)籃組織。能譜結(jié)果顯示A區(qū)域的Al元素含量為76.66%，且無V元素分布，主要為TiAl3；B區(qū)域元素比例接近于Ti2AlNb與Nb3Al，主要相為O相+α2相，表明V主要聚集于B區(qū)域的O相，即均勻?qū)悠M織中。

圖8 Ti2AlNb合金的顯微組織及能譜分析結(jié)果

能譜分析表明，V元素均聚集于O相存在的區(qū)域，表明V元素對合金的影響作用于O相，即假設(shè)中的空位影響機制作用于O相，并因此影響了hcp結(jié)構(gòu)向bcc結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。此外，隨V元素摻雜量的提升， O相區(qū)域的Ti元素比例下降，驗證了V作用于O相且替代了其中的Ti元素這一假設(shè)的可能性。

由以上分析可知，Ti2AlNb合金在SPS燒結(jié)過程中的相轉(zhuǎn)變?nèi)缦隆?/p>

(1)

α2+α′+B2+O (V聚集)

(2)

3 結(jié) 論

(1) Ti2AlNb預(yù)合金粉末經(jīng)高能球磨后出現(xiàn)細小胞狀晶，退火后粉末內(nèi)應(yīng)力得以釋放，胞狀晶長大。

(2) V元素的摻雜對Ti2AlNb合金的相轉(zhuǎn)變有顯著影響。V元素會影響Ti2AlNb合金的結(jié)晶方式，抑制hcp結(jié)構(gòu)向bcc結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，使α2相與O相含量增加，且當(dāng)V含量為2%時轉(zhuǎn)變抑制作用最強，α2相含量最高。

(3) V元素的摻雜對Ti2AlNb合金的顯微組織有顯著影響。隨著V含量增大，Ti2AlNb合金中針狀O相組織趨向于圓潤并均勻分布，當(dāng)V含量為3%時出現(xiàn)均勻?qū)悠瑺罹W(wǎng)籃組織。