钛(tai)合金因具(ju)有低(di)密(mi)度(du)、高比(bi)强(qiang)度、抗疲劳(lao)、耐(nai)腐(fu)蚀、耐磨(mo)性(xing)等性(xing)能(neng)成(cheng)为(wei)航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)[1~6]、船舶[7]、生(sheng)物
医学(xue)[8~13]等(deng)领域(yu)中不(bu)可(ke)或缺的(de)结构材(cai)料。然(ran)而,随着(zhe)科学技术(shu)的日(ri)新月异(yi),钛合(he)金(jin)的进一步(bu)应用(yong)受到(dao)一些限
制。例(li)如,钛(tai)合金对(dui)高温(wen)空气中(zhong)的(de)氧气(qi)有(you)很强的吸(xi)附作(zuo)用(yong),氧气(qi)会在钛合(he)金表(biao)面形成(cheng)脆(cui)性(xing)的富氧(yang)垢(gou),导致(zhi)钛(tai)合(he)
金性能下降;钛合(he)金(jin)对微(wei)动疲劳(lao)很(hen)敏(min)感(gan),这(zhe)会导(dao)致(zhi)钛(tai)合(he)金(jin)植(zhi)入物发生断裂(lie)。为(wei)了提(ti)高(gao)钛(tai)合金(jin)的性(xing)能以(yi)满(man)足实(shi)际
应(ying)用(yong)的(de)需(xu)求,研(yan)究(jiu)人员(yuan)进行了(le)大量(liang)尝(chang)试,发现(xian)在钛合金中(zhong)添(tian)加适量(liang)稀(xi)土(tu)元(yuan)素是(shi)提(ti)高其(qi)性(xing)能(neng)的(de)有效(xiao)方(fang)法之(zhi)一。
稀(xi)土元(yuan)素(su)被(bei)称为“工(gong)业(ye)维(wei)生素(su)”,通常(chang)具(ju)有净化(hua)、改(gai)性(xing)和合(he)金化(hua)等(deng)作用(yong)[14]。近(jin)年来,研究人员在(zai)探
究(jiu)稀(xi)土(tu)元素(su)对钛(tai)合金(jin)性(xing)能的(de)影(ying)响方面(mian)做了大量(liang)工作(zuo),并基于此开发(fa)了(le)一(yi)系(xi)列稀土钛合(he)金(TA12、Ti633G、
Ti600等),这些性能优(you)异的(de)钛(tai)合金(jin)大(da)大拓宽(kuan)了其(qi)应用(yong)领(ling)域(yu)[15]。本文(wen)首(shou)先(xian)探(tan)讨(tao)了(le)稀(xi)土(tu)元素在钛合(he)金(jin)中的(de)作(zuo)用(yong),
包括(kuo)基(ji)体净(jing)化以及(ji)晶(jing)粒(li)细化(hua)。其次(ci)综述(shu)了(le)不(bu)同稀土元(yuan)素(su)对(dui)钛(tai)合(he)金(jin)拉伸、疲(pi)劳和(he)蠕(ru)变等(deng)性(xing)能(neng)的(de)影响,并(bing)总结(jie)了(le)
稀土元素影响钛(tai)合(he)金(jin)性(xing)能的(de)微观(guan)机理。最(zui)后分(fen)析(xi)了(le)当(dang)前对稀土(tu)钛合(he)金(jin)研究的不足(zu),并就如何开发(fa)出(chu)综合(he)性(xing)能
优异的稀土(tu)钛(tai)合(he)金(jin)提出了一些建(jian)议(yi)。
1、稀(xi)土元(yuan)素(su)在钛合(he)金(jin)中(zhong)的作用
目(mu)前
,研究人员(yuan)开(kai)展了(le)大(da)量有关(guan)稀(xi)土元(yuan)素应(ying)用于钛(tai)合金(jin)中的研(yan)究(jiu),发现稀土元素(su)对钛合金的(de)影(ying)响较为(wei)复(fu)杂(za),其(qi)中基
体净(jing)化和(he)细(xi)化晶(jing)粒是(shi)最(zui)为(wei)突出的(de)两个作用(yong)机(ji)制(zhi),本节主要围(wei)绕这两种(zhong)作用机制(zhi)展开如(ru)下讨(tao)论(lun)。
1.1
净(jing)化(hua)作用
稀(xi)土(tu)元素化(hua)学性(xing)质(zhi)活(huo)泼,易与钛(tai)合金(jin)中(zhong)杂质(zhi)元素(su)反应(ying),因(yin)此(ci)可以(yi)起(qi)到(dao)较好(hao)的净(jing)化(hua)效(xiao)果。例(li)如,
氧(yang)元素(su)作为钛合金(jin)中主要的杂(za)质(zhi)元素(su),其含量显著(zhu)影响(xiang)钛合金的(de)微(wei)观结(jie)构及其(qi)抗(kang)腐(fu)蚀(shi)性、塑(su)性(xing)、冲(chong)击韧性(xing)等(deng)
[16~18]。然(ran)而采(cai)用传统(tong)的(de)电化(hua)学(xue)等方法脱(tuo)氧(yang)时,往往会(hui)遇到耗(hao)电量大(da)、处(chu)理时(shi)间长、工艺复(fu)杂等困难(nan)[19]。
由于稀土元素(su)对O表现(xian)出很(hen)强(qiang)的(de)亲(qin)和(he)力(li),被认为(wei)是(shi)最(zui)强(qiang)的脱氧剂,因此(ci)在(zai)钛合(he)金中(zhong)加(jia)入(ru)稀(xi)土(tu)元(yuan)素(su)后,O容(rong)易被(bei)稀(xi)
土(tu)元(yuan)素捕(bu)获(huo)并(bing)在(zai)晶界(jie)处析(xi)出(chu)稀土(tu)氧化(hua)物,从而(er)达(da)到净化基(ji)体的(de)目(mu)的[20~23]。
以(yi)稀土(tu)元素(su)Ce为(wei)例(li),Li等
[24]使用扫(sao)描电(dian)子显(xian)微镜(jing)(SEM)研究(jiu)了(le)Ti6Al4V-0.1%Ce(质量(liang)分数,下同)合金中(zhong)Ce的(de)分(fen)布,发(fa)现(xian)大量白(bai)色颗(ke)粒,
如(ru)图(tu)1a和(he)图1b。利用(yong)透射(she)电(dian)子显(xian)微(wei)镜(jing)(TEM)以(yi)及(ji)X射(she)线能(neng)谱仪(EDS)发(fa)现白色颗(ke)粒为(wei)Ce及(ji)其氧化物,图(tu)1c和(he)图1d
中的衍(yan)射光斑(ban)进(jin)一(yi)步表(biao)明聚(ju)集的(de)白(bai)色颗粒为(wei)CeO2。此(ci)外(wai),从图(tu)1e中的EDS结(jie)果可(ke)以看(kan)出(chu),Ti6Al4V合金(jin)中(zhong)添(tian)加的(de)
Ce不仅(jin)可以去(qu)除基(ji)体中(zhong)的(de)氧(yang)元(yuan)素(su),还能(neng)去除(chu)磷(lin)、硫、氯(lv)、钙(gai)等(deng)其(qi)他(ta)杂(za)质元素。
1.2 细化(hua)晶粒(li)
微量(liang)稀土(tu)元素的(de)添加可(ke)以(yi)通过溶质效应和(he)成核(he)效应(ying)对钛(tai)合金的(de)晶(jing)粒(li)尺(chi)寸和形貌产(chan)生(sheng)影(ying)响(xiang)[25]。丁蓓蓓(bei)等(deng)[26]
通(tong)过(guo)对(dui)比加(jia)入稀土(tu)元(yuan)素Nd和(he)不(bu)加(jia)入Nd的钛(tai)合金的(de)显微组(zu)织,发现(xian)含Nd钛合金(jin)平均(jun)晶粒(li)尺(chi)寸(cun)小(xiao)于100μm。原(yuan)因
是(shi)Nd加(jia)入(ru)后在晶界(jie)处(chu)形(xing)成了高熔(rong)点难熔化(hua)合物(wu),进(jin)而(er)在(zai)阻(zu)碍了位(wei)错运(yun)动的同时限(xian)制了(le)晶粒(li)生长。韩鹏等[27]
研究表(biao)明(ming)稀(xi)土(tu)元(yuan)素(su)Er的(de)添(tian)加(jia)同(tong)样使(shi)钛合(he)金中(zhong)晶(jing)粒的(de)尺寸(cun)得到(dao)了细(xi)化。其中(zhong),Er主(zhu)要是(shi)以氧(yang)化物(wu)的形(xing)式存(cun)在于
钛合(he)金(jin)中,其(qi)尺(chi)寸(cun)不(bu)超(chao)过(guo)1μm且分(fen)布于片(pian)状α相(xiang)的(de)晶(jing)内和(he)晶(jing)界处。Zhao等[28]通过光学显微(wei)镜(jing)(OM)、SEM和(he)
TEM系(xi)统(tong)地(di)研(yan)究了加(jia)入(ru)不同(tong)质(zhi)量(liang)分(fen)数(shu)稀土(tu)元(yuan)素Y(0,0.1%,0.3%,0.5%,1.0%,质量(liang)分(fen)数,下同(tong))的Ti-1100合(he)金(jin)的(de)显
微组织。发(fa)现随着Y的(de)添(tian)加量从(cong)0增(zeng)加(jia)到(dao)1.0%,Ti-1100合(he)金(jin)的(de)平(ping)均(jun)晶(jing)粒(li)尺(chi)寸(cun)从250μm降(jiang)低(di)到(dao)50μm。Guo等[29]
探(tan)究(jiu)了(le)不(bu)同CeO2添加量(liang)对NiTi合(he)金(jin)的影(ying)响(xiang),发(fa)现(xian)添加0.03%CeO2的(de)NiTi合(he)金(jin)结构(gou)致(zhi)密(mi),表(biao)面(mian)无(wu)明(ming)显裂(lie)纹(wen)和(he)气(qi)孔(kong),
密度高达(da)99%。此外,NiTi合(he)金晶(jing)粒(li)明显(xian)得到(dao)细化,平(ping)均晶粒尺(chi)寸(cun)减(jian)小(xiao)至3.53μm,其(qi)主(zhu)要归(gui)因(yin)于添(tian)加CeO2后产(chan)
生的(de)非(fei)均相(xiang)成核(he)效应,如图(tu)2所(suo)示(shi)。
稀(xi)土(tu)元素(su)的原(yuan)子半(ban)径通常较(jiao)大,加入钛合(he)金(jin)后,在(zai)晶内或晶(jing)界处(chu)形
成(cheng)的第二相粒子可以作为(wei)形(xing)核(he)点(dian),阻碍(ai)晶粒的(de)长(zhang)大(da)。此外(wai),不同(tong)稀(xi)土(tu)元(yuan)素(su)的(de)溶(rong)解(jie)度、熔(rong)点以及(ji)在高温下的稳(wen)定
性(xing)不同(tong),溶解(jie)度(du)较高的稀土(tu)元(yuan)素(su)更(geng)容易(yi)均匀分布在(zai)钛合金基体中,高(gao)熔点稀土(tu)元素(su)能(neng)在(zai)较高温(wen)度下稳(wen)定(ding)存在,
从而能(neng)够更有效(xiao)地细化晶粒(li)。
2、稀土元素对(dui)钛合金性能(neng)的影响(xiang)
钛合金(jin)中
稀(xi)土(tu)元(yuan)素(su)的(de)主要(yao)存在形(xing)式(shi)有(you)三(san)种:溶(rong)解在(zai)钛合金中;与(yu)钛合(he)金(jin)中的(de)氧结合形(xing)成(cheng)稀(xi)土(tu)氧(yang)化物;与其他(ta)元素形成化(hua)
合(he)物。其(qi)一方面提(ti)高了钛(tai)合金(jin)中晶核的(de)成(cheng)核概(gai)率(lv)和成核(he)速(su)率,另一(yi)方(fang)面(mian)提(ti)高(gao)了(le)晶核(he)的(de)扩散(san)活化能(neng),阻止(zhi)了(le)晶(jing)核(he)
的(de)生长(zhang)。在钛(tai)合金(jin)中添加(jia)稀(xi)土(tu)元(yuan)素(su)可(ke)以(yi)通(tong)过(guo)改变其微观结构(gou)来改(gai)善(shan)钛(tai)合(he)金(jin)的(de)拉(la)伸、蠕(ru)变(bian)、疲(pi)劳(lao)、抗氧(yang)化等性(xing)能。
2.1 对拉(la)伸(shen)性(xing)能的(de)影响(xiang)
钛(tai)合金(jin)中(zhong)稀(xi)土元(yuan)素(su)的(de)种(zhong)类、含(han)量以及(ji)稀土(tu)元素(su)的添(tian)加形(xing)式(shi)等(deng)都
会(hui)对(dui)钛(tai)合金的(de)拉伸(shen)性能(neng)起(qi)到不(bu)同(tong)的影(ying)响(xiang)。不同(tong)稀(xi)土(tu)元(yuan)素(su)的添加(jia)会形成(cheng)不同类(lei)型(xing)和性质的(de)第二(er)相粒子(zi)(如(ru)氧化(hua)
物、氯(lv)化物等(deng)),适量的第(di)二相(xiang)粒(li)子可以减少(shao)应力(li)集(ji)中(zhong)和(he)潜(qian)在(zai)的裂纹(wen)源(yuan),阻(zu)碍(ai)位错运动,从(cong)而(er)提(ti)高合(he)金的(de)拉(la)伸性
能。如(ru)果(guo)稀(xi)土(tu)元(yuan)素添(tian)加(jia)过量,可(ke)能会(hui)在(zai)晶(jing)界(jie)处形(xing)成较大(da)且不(bu)均(jun)匀的第二相粒子(zi),反(fan)而成为(wei)应(ying)力(li)集中点和裂纹源(yuan)
,降低合(he)金的(de)拉(la)伸(shen)性(xing)能(neng)。
张(zhang)凤英等(deng)[30]研(yan)究了Nd对Ti6Al4V合(he)金(jin)拉(la)伸(shen)性能(neng)的影(ying)响(xiang),未添(tian)加(jia)稀(xi)土(tu)元(yuan)素
时(shi),Ti6Al4V合金的室温延伸率仅(jin)为(wei)4%;当Nd添加(jia)量为0.1%~0.2%时,室温(wen)延伸(shen)率(lv)提高(gao)1倍(bei)以(yi)上(shang),可(ke)达到8%~9.5%。
观(guan)察(cha)拉(la)伸(shen)断裂处形貌发(fa)现(xian),断(duan)裂(lie)处韧窝底(di)部(bu)有许(xu)多(duo)第二相(xiang)质点析(xi)出,根据计(ji)算结果分(fen)析该析(xi)出相为(wei)Nd2O3颗(ke)粒
。Yan等[31]也(ye)对稀(xi)土(tu)元素Nd进行(xing)了(le)研究(jiu),结(jie)果表(biao)明(ming)与纯TC11相比,TC11-1.0Nd的抗拉(la)强(qiang)度(du)增(zeng)加,通(tong)过激(ji)光(guang)增(zeng)材(cai)
制(zhi)造(zao)工艺(yi)制(zhi)备了(le)含有Nd的TC11合金(jin),并(bing)测(ce)试了其极(ji)限抗拉强度UTS、屈服(fu)强(qiang)度(du)YS、相(xiang)对(dui)伸(shen)长(zhang)率(lv)δ、断(duan)面(mian)收缩(suo)率
ψ和显(xian)微硬度(du)等(deng)力学(xue)性(xing)能,如表1所(suo)示(shi)。这是因为(wei)Nd在合金(jin)中(zhong)与氧元素(su)反应产(chan)生(sheng)细(xi)小的(de)Nd2O3颗(ke)粒,可(ke)以抑制位(wei)
错运动并产生(sheng)强化(hua)效果。
Zhu等(deng)[32]在Ti6Al4V合金(jin)中加入不(bu)同质量分(fen)数(shu)的Y(Ti6Al4V-
xY,x=0,0.1%,0.3%,0.5%,0.7%),发现(xian)抗拉(la)强度随Y含(han)量(liang)的(de)增加而波动(dong)。这(zhe)是(shi)因(yin)为(wei)真(zhen)空熔化过程(cheng)中,氧(yang)原子(zi)可以(yi)
与Y结合(he)形成(cheng)Y2O3颗粒(li),其(qi)聚(ju)集在(zai)晶(jing)界处(chu)可(ke)以(yi)细化晶粒(li),从而(er)有效(xiao)提高合金(jin)强(qiang)度。但当Y2O3颗(ke)粒过多时,会导致
尖端(duan)应(ying)力集中(zhong),增(zeng)加(jia)材(cai)料断裂(lie)几率,因此要控(kong)制(zhi)Y的(de)添(tian)加(jia)量。曾(ceng)立(li)英等[33]在Ti600合金中添(tian)加(jia)Y元素的研究(jiu)同(tong)
样(yang)表明(ming),合金(jin)中Y元(yuan)素大(da)多(duo)以(yi)Y2O3的(de)形(xing)式析出且(qie)Y2O3可(ke)以明显(xian)改善(shan)钛合金的高温(wen)拉(la)伸性能(neng)。Yang等[34]通(tong)过真(zhen)
空(kong)电(dian)弧(hu)熔炼炉将Y2O3纳(na)米(mi)颗粒(li)添加到近α-钛合(he)金中(zhong),如图(tu)3a,通(tong)过(guo)研究这(zhe)种合金(jin)的微(wei)观(guan)组织(zhi)演(yan)变发现Y2O3颗
粒(li)细(xi)化了β晶(jing)粒尺(chi)寸(cun),并在(zai)随后(hou)的(de)β→αs中为αs提供了(le)多余(yu)的成(cheng)核位(wei)点(dian)。图3b显示(shi),由(you)于载荷传递(di)机(ji)制(zhi),在(zai)
室温(wen)或(huo)高温(wen)下,极限(xian)抗拉强(qiang)度(du)和屈服(fu)强度(du)均(jun)明(ming)显增强。
Yang等[35]研究(jiu)了(le)添加CeSi2对钛合(he)金(jin)性(xing)能(neng)的
影响(xiang),发(fa)现CeSi2在(zai)合金(jin)中(zhong)主要(yao)以(yi)含铈氧(yang)化物(wu)和含(han)铈(shi)氯氧(yang)化物(wu)的形(xing)式存(cun)在,且CeSi2最佳浓(nong)度约(yue)为0.5%,超过该(gai)
浓度(du)时(shi)烧(shao)结密(mi)度(du)和拉伸伸长率都(dou)会(hui)随着添加(jia)量的(de)增(zeng)加而(er)下(xia)降。这(zhe)是(shi)因(yin)为高浓(nong)度的(de)O元(yuan)素会(hui)显著(zhu)脆(cui)化钛(tai)合金(jin),减(jian)
少(shao)O元素可以提高钛合(he)金的塑(su)性(xing)和延(yan)展(zhan)性(xing),而在钛合金中加入Ce元(yuan)素(su),可以(yi)有(you)效(xiao)去除(chu)基体中(zhong)的O,大(da)大(da)提(ti)高(gao)合金
的延展(zhan)性。Li等[24]通(tong)过(guo)添加0.1%的(de)Ce来提(ti)高Ti6Al4V合(he)金(jin)的性能(neng),添(tian)加Ce的Ti6Al4V合金(jin)尺(chi)寸(cun)约为原(yuan)来的三
分之(zhi)一(yi),并(bing)且(qie)表现(xian)出(957±47)MPa的抗拉(la)强度和(he)12.3%的(de)伸(shen)长(zhang)率(lv),明显优于不(bu)添加Ce的(de)Ti6Al4V合金性能(neng),即(ji)
(787±65)MPa和(he)8.8%,如图4a和图4b所(suo)示。Xu等(deng)[36]采用了(le)真空非(fei)自(zi)耗(hao)电(dian)弧炉制(zhi)备(bei)了(le)Ce含量不(bu)同(tong)的Ti6Al4V-
xCe合(he)金(jin)(x=0,0.1%,0.3%,0.5%,0.7%),并(bing)系(xi)统地研究(jiu)了Ti6Al4V-xCe合金的显微组织(zhi)和(he)综合(he)力学性(xing)能,发现含(han)
0.5%Ce的Ti6Al4V合金的抗拉(la)强度(du)和延展性(xing)显(xian)著提高(gao),其(qi)中极(ji)限抗(kang)拉(la)强(qiang)度达到(dao)了(le)978.1MPa,如(ru)图4c和图4d。总(zong)
之,与(yu)Ti6Al4V相比(bi),Ti6Al4V-xCe性能的提高(gao)可归(gui)因(yin)于:Ce的(de)加(jia)入降低(di)了Ti6Al4V中杂质(zhi)元素(su)的含(han)量;Ce细(xi)化(hua)了(le)
合金(jin)中(zhong)的(de)晶粒尺(chi)寸,而(er)细(xi)晶(jing)粒有(you)助(zhu)于增(zeng)强(qiang)合(he)金(jin)的延展性和强(qiang)度;晶(jing)界处(chu)形(xing)成的CeO2颗粒(li)增(zeng)加了(le)裂(lie)纹运动(dong)路径,
避免(mian)了裂纹尖端的(de)应(ying)力集中,从(cong)而降(jiang)低(di)了(le)裂纹(wen)扩展(zhan)的(de)驱(qu)动力。
刘(liu)超团(tuan)队(dui)[37]用粉末(mo)冶金(jin)法(fa)制
备了(le)Ti6Al4V-0.5Si-xEr(x=0.4%,0.8%,1.2%,1.6%)合金(jin)。通(tong)过显(xian)微观察(cha)发现,随着Er元(yuan)素(su)含量的(de)增(zeng)加(jia),合(he)金(jin)晶
粒(li)尺寸细(xi)化明显,晶(jing)粒尺(chi)寸(cun)由10μm~20μm细(xi)化(hua)至5μm~10μm。此(ci)外(wai),生(sheng)成的(de)Er2O3颗(ke)粒(li)具(ju)有(you)高(gao)熔点、高(gao)硬度(du)和(he)
难(nan)以变(bian)形(xing)等特(te)性(xing),可(ke)以(yi)作为晶(jing)核中心(xin)以(yi)提高(gao)形核率(lv),起到(dao)强化(hua)作用(yong)。拉伸(shen)测试(shi)结果显(xian)示,钛(tai)合(he)金的拉(la)伸性(xing)能与
稀土元(yuan)素(su)的含(han)量有(you)关,随(sui)着(zhe)稀(xi)土(tu)元素(su)Er的(de)增加(jia),其抗拉强(qiang)度和伸(shen)长(zhang)率先增大后减小。例如(ru),当Er的(de)含量(liang)达(da)到
1.2%时,钛(tai)合(he)金(jin)的抗拉强(qiang)度(du)达(da)到最大,即(ji)930.5MPa,相比(bi)于未(wei)加入(ru)Er元(yuan)素的钛合(he)金(jin)提高了207.5MPa;但当Er的(de)含(han)
量增加到(dao)1.6%时,钛(tai)合金(jin)的抗(kang)拉(la)强度又会急剧下降。造(zao)成(cheng)这种非线性变(bian)化的(de)原(yuan)因是(shi):少(shao)量的(de)Er元(yuan)素可(ke)以(yi)起到细
化(hua)晶粒(li)及(ji)弥(mi)散(san)强(qiang)化(hua)的(de)作(zuo)用,但随着(zhe)Er的添加(jia)量(liang)过高,其(qi)生(sheng)成的(de)Er2O3也(ye)会随之增多(duo),影响烧结过(guo)程(cheng)中气(qi)体(ti)的排(pai)出(chu)
,并容易(yi)产生微裂纹,从(cong)而降低(di)钛(tai)合(he)金(jin)的拉(la)伸(shen)性能。
2.2 对(dui)蠕(ru)变性能(neng)的(de)影响
稀(xi)土元素(su)可(ke)以细
化(hua)晶(jing)粒、提高钛(tai)合(he)金中的(de)晶(jing)界活(huo)化能、防(fang)止(zhi)晶界(jie)滑移,从而有(you)效(xiao)提高(gao)钛合(he)金(jin)的(de)抗(kang)蠕(ru)变性能[38]。此(ci)外,Si在高(gao)
温钛(tai)合金(jin)中(zhong)发挥着(zhe)重要作用(yong),弥散分(fen)布的(de)Si原子(zi)以(yi)及硅化(hua)物颗粒(li)(Ti5Si3或Ti2Si等(deng))可以阻(zu)碍(ai)位错(cuo)运动,提(ti)高
钛(tai)合金的(de)抗蠕(ru)变性(xing)能。研(yan)究发(fa)现稀土(tu)元素的添加(jia)可(ke)以增(zeng)强(qiang)其(qi)分散度,这进一步(bu)提升了(le)钛(tai)合(he)金(jin)的性能。例如,Nd
在Ti55合(he)金(jin)中(zhong)主要起(qi)到细(xi)化(hua)组(zu)织(zhi)、净(jing)化(hua)基体内部氧元(yuan)素(su)、形成非(fei)共格分(fen)散(san)富Nd第(di)二相(xiang)颗(ke)粒以及抑制(zhi)Ti3X相(xiang)析
出的作用,这(zhe)些(xie)机制的共(gong)同(tong)作(zuo)用使得(de)钛合金(jin)具(ju)有(you)优异的(de)高(gao)温抗蠕(ru)变性(xing)能[39,40]。张振(zhen)祺等[41]制备(bei)了(le)Ti600
-0.1%Y合(he)金(jin)并进(jin)行(xing)了蠕变实验(yan),结(jie)果(guo)表明稀(xi)土元(yuan)素Y在合金中形成了(le)最(zui)大(da)粒(li)子(zi)尺(chi)寸(cun)不(bu)超过(guo)1μm的(de)Y2O3颗粒,其(qi)
可以促进钛(tai)合(he)金(jin)中(zhong)Ti5Si3粒(li)子的均(jun)匀(yun)分布(bu),通(tong)过TEM发现(xian)Ti5Si3粒(li)子(zi)对(dui)基(ji)体(ti)的(de)变(bian)形(xing)起到(dao)一定的阻(zu)碍(ai)作(zuo)用(yong),该粒(li)
子产生的错配(pei)应力(li)场能阻(zu)碍(ai)位(wei)错运(yun)动,从而(er)提(ti)高(gao)钛(tai)合(he)金(jin)的抗蠕(ru)变(bian)性能(neng)。在(zai)IMI829钛(tai)合(he)金(jin)中(zhong)添(tian)加少量稀土(tu)元(yuan)素(su)
Gd,可制(zhi)备(bei)得(de)到Ti633G钛合金(jin)。研究(jiu)表(biao)明Gd可以(yi)在(zai)细化(hua)晶(jing)粒(li)尺(chi)寸的同时(shi)提(ti)高(gao)硅化(hua)物(wu)(TiZr)8Si的(de)分(fen)散(san)度(du),从(cong)而(er)
增强(qiang)钛合(he)金的(de)抗蠕(ru)变(bian)性(xing)能[42]。
Deng等[43]利用蠕(ru)变试验分析(xi)了(le)Ti6Al4V-xSi-ySc合金(jin)的(de)抗蠕(ru)变(bian)机理(li)
。表(biao)2显示了(le)不同(tong)合(he)金(1#-Ti6Al4V,2#-Ti6Al4V-0.25Si,3#-Ti6Al4V-0.3Sc,4#-Ti6Al4V-0.25Si-0.3Sc)的蠕(ru)
变应(ying)变和稳(wen)态蠕(ru)变速率(lv),可以看(kan)出,Si和Sc明显有(you)助于(yu)提高(gao)Ti6Al4V合金(jin)的抗蠕(ru)变性能。在(zai)钛合金(jin)中,β相(xiang)是体(ti)
心(xin)立方(fang)结构(gou),蠕(ru)变过程(cheng)中更容(rong)易(yi)滑(hua)动(dong)。观(guan)察(cha)合(he)金微观结(jie)构发(fa)现(xian)Si和Sc的加入使得钛(tai)合金中β相(xiang)减(jian)少(shao),导致钛(tai)合(he)
金更难发生变(bian)形,提高(gao)了(le)钛合金(jin)的(de)抗(kang)蠕变(bian)性能(neng)。此(ci)外,研究(jiu)发现Sc在钛(tai)合金中有三(san)种(zhong)形态,包(bao)括(kuo)固(gu)溶体(ti)形
式,Sc2O3氧(yang)化物形式(shi)(尺寸(cun)为(wei)600nm~800nm),以及马蹄(ti)形Al3Sc形(xing)式,其(qi)中Al3Sc颗(ke)粒(li)可以(yi)阻(zu)碍位错运(yun)动,有(you)利于(yu)
提高(gao)钛(tai)合(he)金的抗(kang)蠕变性能(neng)。
2.3 对(dui)疲劳性(xing)能(neng)的影(ying)响(xiang)
服役于高温环境中(zhong)的(de)钛合(he)金材料(liao),疲劳破
坏是其重(zhong)要(yao)失(shi)效形式(shi)之一(yi)[44]。因(yin)此,对钛合(he)金的(de)疲(pi)劳性(xing)能进行详细(xi)研(yan)究(jiu),对于(yu)其(qi)在(zai)航(hang)空航(hang)天、汽车、船(chuan)舶(bo)等
众多行业(ye)中的使用(yong)至(zhi)关重(zhong)要(yao)。邓炬等[42]测(ce)试(shi)了Ti633G合金(jin)的(de)旋转弯曲(qu)疲(pi)劳性能(neng),结(jie)果表(biao)明(ming)Gd可(ke)以(yi)通过细化(hua)
晶(jing)粒、减(jian)少(shao)晶(jing)内滑(hua)移(yi)长(zhang)度(du)来改(gai)善(shan)钛合(he)金的疲劳(lao)性能(neng)。
Song等(deng)[45]在TNTZ合(he)金(jin)中(zhong)掺入不同质量分数的(de)
Y2O3后(hou)进行(xing)疲劳(lao)测(ce)试(shi),发(fa)现(xian)随着(zhe)Y浓度的增加(jia),Y2O3直(zhi)径从(cong)0.1μm增(zeng)加至(zhi)1μm左右(you),钛合金的(de)疲劳(lao)极限先增大后(hou)
减小。通常(chang),在合金(jin)中具有(you)适(shi)当尺寸(cun)和适当分(fen)布的(de)Y2O3颗(ke)粒可以有(you)效(xiao)地(di)阻(zu)挡(dang)位(wei)错(cuo)的(de)运(yun)动(dong),从(cong)而(er)提高(gao)合(he)金(jin)的抗(kang)疲
劳(lao)性(xing)能。此外(wai),通(tong)过(guo)观察钛合金(jin)微(wei)观(guan)形(xing)貌(mao),发现(xian)大部分疲(pi)劳裂纹(wen)来源于较(jiao)大的稀土(tu)相,而不(bu)是(shi)较小(xiao)的稀土相(xiang),这(zhe)
主要是由较大(da)的(de)稀土(tu)相颗粒(li)周围局(ju)部应(ying)力集中(zhong)所引起的(de)。此(ci)外(wai),蔡(cai)建(jian)明等[46]通(tong)过(guo)对Ti60钛合(he)金(jin)叶片(pian)震动(dong)疲
劳(lao)性能(neng)的研究(jiu)发现,叶片(pian)的(de)疲劳寿(shou)命(ming)与稀土相(xiang)颗(ke)粒(li)的大小有(you)着密(mi)切(qie)联(lian)系,Er元素相(xiang)颗粒(li)越大(da),Ti60叶片的疲劳(lao)
寿命(ming)就(jiu)越(yue)短(duan)。稀土元素(su)可以(yi)细化(hua)晶(jing)粒,强化晶界,阻(zu)碍(ai)晶(jing)界(jie)处疲(pi)劳(lao)裂(lie)纹(wen)的产生,但(dan)晶粒(li)大小对钛合(he)金(jin)的(de)疲劳性
能(neng)影(ying)响(xiang)因合(he)金(jin)而(er)异。晶(jing)界(jie)两(liang)侧(ce)晶(jing)粒(li)分(fen)布的(de)不(bu)均(jun)匀会(hui)使(shi)得(de)裂(lie)纹(wen)萌(meng)生(sheng),降(jiang)低合(he)金性能(neng)。总(zong)体而言,疲(pi)劳裂(lie)纹是(shi)否均(jun)
源(yuan)自稀(xi)土(tu)颗(ke)粒,以(yi)及(ji)稀(xi)土(tu)相(xiang)如(ru)何(he)影(ying)响钛合(he)金疲(pi)劳性能(neng)的内(nei)在(zai)机制(zhi)尚未明确。
2.4 对其他(ta)性(xing)能(neng)的影(ying)响(xiang)
Han等(deng)[22]针(zhen)对(dui)Ti6Al4V-xY2O3合金的摩擦磨(mo)损实(shi)验结(jie)果(guo)表明(ming),与Ti6Al4V合(he)金(jin)相比(bi),Ti6Al4V-0.5%Y2O3合(he)金(jin)的耐(nai)磨性增加(jia)了3.6倍(bei)。Ti6Al4V-0.5%Y2O3合(he)金具(ju)有最(zui)佳的耐(nai)磨性归因(yin)于Y2O3的(de)添(tian)加导致(zhi)基(ji)体中(zhong)形成(cheng)了
较多(duo)的增(zeng)强(qiang)相,起到(dao)了扩(kuo)散(san)强(qiang)化(hua)作(zuo)用。Weng等[47]研究(jiu)了(le)稀(xi)土元(yuan)素(su)Sc和(he)Y的少量添(tian)加(0.10%)对TNZM合金(jin)耐(nai)磨(mo)
性(xing)的影(ying)响(xiang)。结(jie)果(guo)表明,Sc和(he)Y在TNZM合金(jin)中(zhong)表(biao)现出(chu)不同(tong)程(cheng)度的(de)固体溶解度(du),Sc沉淀(dian)为(wei)亚微(wei)米Sc氧(yang)化(hua)物(wu)(直径约
500nm),Y沉(chen)淀(dian)为(wei)微(wei)米(mi)级(ji)富(fu)Y氧(yang)化(hua)物(wu)(直(zhi)径(jing)约(yue)1μm~3μm),但(dan)目(mu)前(qian)尚(shang)不(bu)清楚(chu)Sc和(he)Y在(zai)TNZM合金中沉(chen)淀不同的原因(yin)。
此外,测(ce)试结(jie)果(guo)表(biao)明(ming)Sc通过(guo)抑(yi)制(zhi)TNZM合金的剥层磨(mo)损和磨料(liao)磨损,提高(gao)了(le)合金的耐磨性,而(er)Y添(tian)加对(dui)磨损(sun)程度(du)或
机(ji)理(li)没有影(ying)响,如图(tu)5所示。相(xiang)比(bi)于(yu)Y,Sc在钛(tai)合(he)金(jin)中的溶(rong)解(jie)度相对较(jiao)高(gao),晶(jing)粒细(xi)化和强(qiang)化(hua)性能好,使(shi)其(qi)成(cheng)为(wei)优化(hua)
TNZM合金的(de)优良(liang)添加(jia)剂。
除(chu)了影(ying)响(xiang)钛(tai)合(he)金的耐(nai)磨性,稀土(tu)元素的添(tian)加还会影(ying)响其(qi)抗(kang)氧化性(xing)能(neng)。稀土(tu)元(yuan)
素可以提高钛合金表面氧(yang)化层致(zhi)密度并(bing)使氧(yang)化(hua)膜(mo)与合金(jin)基(ji)体(ti)的结(jie)合(he)更紧密。例(li)如(ru),Zhong等(deng)[48]研究(jiu)发(fa)现,添
加0.3%Sc的合(he)金表现(xian)出优(you)异(yi)的(de)抗氧(yang)化(hua)性(xing)能(neng)。对(dui)热(re)处理(li)后(hou)的钛(tai)合(he)金(jin)表面(mian)采(cai)用X射线(xian)衍(yan)射分析(xi)(XRD)测试(shi)后(hou)发
现(xian),Sc的(de)加入抑制(zhi)了W元(yuan)素的(de)偏析,同时(shi)促进了(le)密度(du)较(jiao)大(da)的Al2O3薄膜的(de)形(xing)成,可以防止(zhi)合(he)金(jin)的氧化(hua)反应,如图6
。适(shi)量的稀土元素可以(yi)提(ti)高钛(tai)合(he)金(jin)的抗(kang)氧(yang)化(hua)性能(neng),但(dan)添(tian)加过(guo)量的稀(xi)土(tu)元(yuan)素会(hui)诱(you)导钛合金中的(de)金(jin)属元素与之(zhi)形
成(cheng)的二(er)次相在(zai)晶(jing)界(jie)处偏(pian)离(li),降低钛(tai)合(he)金(jin)的(de)抗(kang)氧化(hua)性能(neng)[49~51]。
稀土(tu)元(yuan)素(su)对钛(tai)合金性能(neng)的(de)影(ying)响十(shi)分(fen)复(fu)
杂(za),添加稀土(tu)元素(su)可(ke)以(yi)提(ti)高(gao)钛合金的各(ge)种(zhong)性(xing)能(neng),但对于不(bu)同的钛合金基体(ti)添加(jia)不(bu)同的稀土元素及其(qi)添(tian)加(jia)量等均(jun)
会产生不同(tong)的影(ying)响,因(yin)此,选(xuan)择(ze)合(he)适(shi)的(de)钛合(he)金基体(ti)、稀(xi)土元(yuan)素组(zu)合(he)、优化(hua)添(tian)加量对(dui)于(yu)制备具有(you)最(zui)佳(jia)性能的(de)钛(tai)合(he)
金(jin)至(zhi)关重(zhong)要(yao)。
3、总(zong)结与展(zhan)望(wang)
随(sui)着航(hang)空航(hang)天、医(yi)疗(liao)器(qi)械(xie)、汽车(che)、化工等(deng)领(ling)
域对钛合金(jin)综合(he)性能(neng)要求(qiu)的日益提(ti)高(gao),研(yan)究(jiu)人员正(zheng)探索改善钛合金性(xing)能(neng)的新途(tu)径(jing)。研(yan)究表明(ming),稀(xi)土元(yuan)素(su)可以(yi)与
钛(tai)合金中(zhong)的氧、硫(liu)等(deng)杂(za)质(zhi)元素形(xing)成(cheng)化合(he)物(wu)以净(jing)化(hua)基体;同时在(zai)钛合(he)金的(de)晶内或晶(jing)界处形成(cheng)弥散分(fen)布的细(xi)小(xiao)颗
粒,作为(wei)异(yi)质形核核(he)心以(yi)起到阻(zu)碍(ai)晶(jing)粒生长(zhang)的(de)作用。此外,稀(xi)土元素(su)在钛(tai)合(he)金(jin)中(zhong)形成(cheng)的第(di)二(er)相(xiang)粒(li)子(zi),可(ke)以阻(zu)碍
位(wei)错运(yun)动、减(jian)少晶(jing)界与(yu)相界(jie)的滑(hua)移(yi),改善(shan)钛合金(jin)性能。然(ran)而(er),稀土元(yuan)素(su)的(de)添加(jia)量过高(gao)会(hui)导致(zhi)过多(duo)的(de)稀土相颗粒
生成(cheng),这(zhe)些颗(ke)粒(li)会在(zai)钛合金的晶(jing)界处偏析(xi),削(xue)弱晶(jing)界间的结合强度,有
可(ke)能(neng)成(cheng)为裂纹(wen)源进而(er)降低(di)钛(tai)合(he)金(jin)
的(de)性能。随(sui)着(zhe)研究(jiu)人(ren)员对稀土(tu)钛(tai)合金(jin)研(yan)究(jiu)的(de)不(bu)断(duan)深入(ru),稀(xi)土元(yuan)素(su)的作用机(ji)理(li)逐渐(jian)明(ming)确,但(dan)是稀(xi)土钛合金的发(fa)展
还面(mian)临着(zhe)诸(zhu)多(duo)挑(tiao)战(zhan):
1.稀(xi)土(tu)元素的(de)添(tian)加量(liang)、添加方(fang)式(如(ru)金属(shu)形(xing)式或(huo)化(hua)合物(wu)形(xing)式(shi))等都(dou)会(hui)对钛合金(jin)的性
能(neng)产生影(ying)响,钛合金(jin)的多元(yuan)化(hua)也(ye)使(shi)得合金(jin)中元(yuan)素间(jian)的(de)相(xiang)互(hu)作用十(shi)分复(fu)杂(za)。此外(wai),对相同基础合(he)金(jin)中稀(xi)土(tu)元(yuan)素(su)之
间(jian)差(cha)异的研究(jiu)仍然很少(shao),阻碍(ai)了(le)稀土(tu)钛(tai)合(he)金(jin)的进(jin)一步(bu)发(fa)展(zhan)。
2.稀(xi)土(tu)元素(su)种类(lei)较(jiao)多(duo),但(dan)目前(qian)的(de)研究较(jiao)为(wei)
局(ju)限(xian),主要集中于(yu)Ce、Nd、Y、Er等(deng)元素(su)。因(yin)此,有(you)必(bi)要更广泛(fan)地研究(jiu)稀土元素(su)对(dui)钛(tai)合(he)金的影(ying)响(xiang),特别是未(wei)被研(yan)
究的稀土元(yuan)素(su)。
3.目(mu)前稀(xi)土钛(tai)合金(jin)的(de)生产(chan)大(da)多(duo)在(zai)真(zhen)空条件下(xia)进行,以(yi)防止发生氧化或(huo)其他(ta)不利(li)反(fan)应(ying)。
然(ran)而(er)真(zhen)空(kong)条(tiao)件(jian)下的(de)生(sheng)产工艺复(fu)杂且(qie)成本较高,限制(zhi)了稀(xi)土(tu)钛(tai)合金的(de)广(guang)泛(fan)应用。
围(wei)绕上述问题(ti),未(wei)来稀
土(tu)钛合金可(ke)能的(de)发(fa)展方(fang)向(xiang)如下:
1.进一步探(tan)究稀(xi)土(tu)元(yuan)素(su)种类及其(qi)添加量(liang)等对钛(tai)合(he)金性能的影(ying)响及(ji)作用(yong)
机制(zhi)。综(zong)合利(li)用(yong)材料表(biao)征(zheng)技术(shu),如电(dian)子显微(wei)镜、X射线衍(yan)射(she)分(fen)析(xi)等(deng),研(yan)究(jiu)稀(xi)土(tu)相(xiang)颗(ke)粒(li)在(zai)钛合金中(zhong)的(de)位(wei)置(zhi)和形态(tai)
。通(tong)过评估(gu)合(he)金的(de)疲(pi)劳(lao)、拉伸、抗氧化等性能,全(quan)面(mian)了(le)解(jie)稀土元素(su)在(zai)钛合金(jin)中的作(zuo)用,以(yi)开发(fa)综合(he)性能(neng)优(you)异的(de)
稀(xi)土(tu)钛合金(jin)。
2.探索(suo)稀土(tu)钛合金中多元(yuan)元(yuan)素间(jian)的协(xie)同作用(yong),通(tong)过(guo)机器(qi)学(xue)习建(jian)立(li)稀土(tu)钛合(he)金数据库(ku)。借(jie)
助大(da)量(liang)实(shi)验(yan)数据(ju),建(jian)立(li)稀(xi)土钛(tai)合金(jin)性能预测(ce)模(mo)型,有(you)助(zhu)于稀土(tu)钛合金的(de)设计(ji)以(yi)及优化(hua)。
3.利(li)用计算(suan)机(ji)
模拟(ni)技术研究稀(xi)土钛(tai)合金。例如(ru),通过(guo)有(you)限元分析技术(shu)设(she)计(ji)出(chu)稀土(tu)钛合金(jin)材(cai)料的(de)锻造(zao)工(gong)艺参数(shu),开发(fa)出(chu)有(you)效且
低成本(ben)的(de)稀(xi)土钛(tai)合金(jin)生产(chan)工业流程(cheng);通(tong)过密(mi)度泛(fan)函(han)理(li)论(DFT)研究(jiu)稀(xi)土元(yuan)素与钛(tai)合金(jin)的(de)相(xiang)互作用(yong),以及稀土(tu)相(xiang)
颗(ke)粒的(de)形(xing)成(cheng)机(ji)制(zhi)等(deng)。
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