Nb含量对TiAl合金铸态组织的影响

Nb含量对TiAl合金铸态组织的影响
蒋孟玲;李慧中;刘咏;曾武;梁霄鹏
【摘要】利用金相显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)及能谱分析(EDS)等测试方法研究Nb含量对铸造TiAl-xNb (x=1,3,5,7；原子分数，%)合金组织的影响。

结果表明：Nb含量为1%时，TiAl-Nb合金铸锭组织主要为单相的γ组织；随Nb含量升高，合金组织主要为α2/γ层片组织；并在层片组织间存在2种偏析，分别是网状β相和γ相，合金的层片晶团平均尺寸逐渐增加，β相的体积分数逐渐升高；当合金中Nb的含量从1%增加到7%，层片晶团平均尺寸由89μm增加至190μm，β相的体积分数从1.9%增至12.9%；随合金中Nb含量增加，β相中Nb含量增加而Cr含量减少，γ相的偏析区域宽度变窄。

%The effect of Nb content on the microstructure of as-cast TiAl-xNb (x=1,3,5,7; atom fraction,%) alloy was investigated by means of optical microscopy (OM), X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectrometry (EDS). The results show that when the Nb content is 1%, the structure of as-cast TiAl-Nb is mainly singleγphase;with the increase of Nb content, the main structure of alloy isα2/γlamellar;there exist two kinds of segregations in lamellars, indicating to be webβphase andγphase, the average size of lamellar colony and the volume fraction
ofβphase increase;with increasing Nb content from 1%to 7%, the average size of lamellar colony decreases from 89μm to 190μm, the area fraction ofβphase increases from 1.9%to 12.9%;with increasin g Nb content in as-cast TiAl alloy, the Nb content in β phase increases while the Cr content in β phase decreases, the width of γ segregation decreases.
【期刊名称】《粉末冶金材料科学与工程》
【年(卷),期】2014(000)003
【总页数】6页(P367-372)
【关键词】TiAl合金;Nb;显微组织;偏析
【作者】蒋孟玲;李慧中;刘咏;曾武;梁霄鹏
【作者单位】中南大学，材料科学与工程学院，长沙 410083;中南大学，材料科学与工程学院，长沙 410083; 中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙410083; 中南大学有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，长沙 410083;中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙410083;中南大学，材料科学与工程学院，长沙410083;中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙410083
【正文语种】中文
【中图分类】TG146.2
TiAl 金属间化合物具有密度低、高温强度高、抗氧化、抗蠕变性能优良等性能，被认为是最有希望的新一代轻质高温合金，在航空航天、汽车等高技术领域有十分广阔的应用和发展前景[1−4]。

添加微量合金元素是改善 TiAl合金组织和性能的主要途径之一，Nb在TiAl合金中溶解度很高，元素Nb的加入可提高合金的熔点并将合金的使用温度提高到900 ℃以上，因此向TiAl合金中添加元素Nb已成为当前研究工作的热点。

Nb元素的加入能够显著提高TiAl合金的高温抗氧化性能，添加 Nb后产生固溶强化效应，可提高合金的高温力学性能；另外，加入大量 Nb 也能降低Nb等合金化元素的扩散速率，从而提高TiAl合金的蠕变能力[5]。

Nb
是β相稳定元素[6−7]，大量Nb的加入使合金铸锭的凝固过程发生改变，加上较快的凝固冷却速率，引起铸造组织中β相偏析[8−9]，使合金的凝固路径不同于传统TiAl基合金。

室温下β相会转化为有序脆性B2相[10−11]，损害TiAl合金的
室温塑性和断裂韧性[12]，这给合金的大规模使用和组织优化造成困难。

但以往对含Nb的TiAl合金的组织的研究多数集中在变形合金[13]或单一Nb含量对合金
组织的影响，而关于不同Nb含量对TiAl合金铸态组织的影响研究较少。

因此，
本文主要研究Nb含量对TiAl合金铸态组织的影响规律，为后续的加工过程和合
金性能改善奠定基础。

1 实验
实验所用材料的名义化学成分为 Ti-47AlxNb-Cr-0.2M(x=1，3，5，7；原子分数，%)。

采用真空非自耗电弧熔炼技术，反复多次重熔，吸铸成直径40mm、高70mm的铸锭。

从合金铸锭中部截取尺寸7mm×7mm×4mm的试样进行组织观察分析。

金相腐蚀液成分为3 mLHF+5 mLHNO3+ 92 mLH2O，浸蚀15s后，
在XJP-6A型光学显微镜上进行组织观察。

采用FEI Quanta-200型扫描电镜( SEM) 进行铸锭组织观察，结合能谱仪分析铸
锭的成分组成，并采用Image图像分析软件统计这4种合金的晶粒尺寸及偏析相的面积分数。

相组成分析在D/MAX-200型X射线衍射仪(Cu靶，工作电压40kV，管电流30 mA，扫描速度8 (°)/min，衍射角范围为20°～90°)上进行。

2 实验结果
图1所示为TiAl-xNb合金的金相组织照片。

从图中可以看出合金铸态组织均为层片结构。

随 Nb含量增加，层片晶团尺寸逐渐增加，层片结构变得清晰且层片变厚，晶界处偏析逐渐减弱，金相组织中晶内偏析不明显。

从图2不同Nb含量 TiAl合
金铸锭的 X 射线衍射图谱可知，铸态组织主要由γ相和一些α2 相组成，此外还
有少量的β相。

在Nb含量较低(1%)时，只有γ相的衍射峰，其余2种相的衍射
峰不明显，这说明在本研究冷却速度较快的实验条件下，铸态TiAl合金的组织是
层片状单相γ组织，这种组织是一种非平衡态组织，而不是α2/γ双相全层片状组织。

这与文献[14]的研究结果一致。

从图2中还可以看出，随Nb含量增加，α2
和γ双相的含量增多，同时β相的含量增加，这与文献[15]的研究结果吻合。

图1 不同Nb含量TiAl 铸态合金的金相照片Fig.1 OM images of different Nb containing TiAl ingot(a)—1%; (b)—3%; (c)—5%; (d)—7%
图2 不同Nb含量TiAl合金铸锭的 XRD 谱Fig.2 XRD patterns of TiAl ingot with different Nb contents
图3为Nb含量对层片晶团尺寸及β相含量的影响。

铸锭中的层片晶团平均尺寸
和白色β相含量均随Nb含量的增加而增加，当Nb含量为1%时，层片晶团平均尺寸为89 μm，β相的面积分数为1.9%；当Nb含量超过3%时，层片晶团尺寸
及β相面积分数与Nb含量均呈线性关系，当Nb含量达到7%时，层片晶团平均尺寸为190μm，β相面积分数增至12.9%。

图3 Nb含量对层片晶团尺寸及β相含量的影响Fig.3 Effect of Nb content on the size of lamellar colony and content of β phase, respectively
图4为合金铸锭内部组织SEM照片，其中图4(b)，(d)，(f)，(h)分别为合金的高
倍SEM照片。

分析表明，不同Nb含量TiAl 合金均是由层片组织组成，层片晶团尺寸随Nb含量增加而逐渐增大。

结合XRD分析可知，层片状组织是α2/γ双相，对层片进行能谱分析，结果为：45.61%Ti，48.89%Al，3.14%Nb，1.90%Cr，0.46%Mo(原子分数)。

能谱分析还表明在层片组织中存在2种类型的成分偏析，
分别为网格状的白色衬度偏析区和黑色衬度的带状区域。

其中黑色带状区域富Al
少 Nb、Cr，为富 Al的γ相偏析区域(图 4(a)，(c)，(e)，(g))。

Nb含量从1%增
加到7%，黑色偏析区域宽度从31 μm减至12 μm，同时γ相中的Nb含量增加，Cr含量略有减少(如表1所列)，且这两种元素的含量与基体的含量相差不大。

合
金中存在网格状的白色相富含 Ti、Nb 和 Cr而贫 Al，即为β(B2)相(图 3(b)，(d)，(f)，(h))。

由表2可知，随Nb含量增加，β相中的Nb含量增加而Cr含量显著
降低，且均高于基体含量。

由高倍显微组织分析表明，合金中的白色β相主要以
两种形式存在: 一种存在于层片晶团的交界处；另一种存在于层片晶团内部，与层片平行或打断α2/γ层片；其中分布在层片晶界的β相，与其周围的层片团的取向明显不相同，因此这种β相不是β+L→α包晶转变的残留物; 而分布在层片团内的β相，明显与周围的层片有一定的取向关系，表明这类β相是从α相析出的产物。

表1 不同Nb含量的TiAl合金铸态γ相EDSTable1 EDS analysis of γ phase in as-cast TiAl alloys with different Nb contentsNb content(atom fraction, %) Ti Al Nb Cr Mo A1 42.08 54.39 0.93 2.33 0.28 B1 44.3 51.15 2.21 2.05 0.3 C1 41.89 50.63 5.78 1.19 0.51 D1 40.97 49.25 7.86 1.22 0.7
表2 不同Nb含量的TiAl合金铸态β相EDSTable2 EDS analysis of β phase in as-cast TiAl alloys with different Nb contentsNb content(atom fraction, %) Ti Al Nb Cr Mo A2 48.87 38.44 0.65 11.51 0.53 B2 49.51 39.85 3.67 6.13
0.84 C2 48.54 39.66 6.69 4.2 0.91 D2 48.76 37.34 8.78 4.11 1
3 分析与讨论
图4 不同Nb含量的TiAl合金铸态SEM照片Fig.4 SEM images of TiAl ingot with different Nb contents(a), (b)—1%; (c),(d)—3%; (e),(f)—5%; (g),(h)—7% 铸锭合金的组织特点是由凝固过程决定的。

对于含铌 TiAl合金，大量 Nb元素的
添加会降低 TiAl 合金的β→α相转变温度，并且把β相区扩展到高Al含量区域。

这已由图5含Nb的Ti-Al二元相图[16−17]所证实。

根据平衡相图，TiAl-Nb合
金在凝固过程中会经历L→L+β→β→β+α→α→α+γ→Lamellar (α2+γ)+γ的相
变过程[8, 14, 18]。

在凝固过程中，首先析出β相，由于β相富Nb、Cr而贫Al，所以从液相中形成β相时，会吸收β相稳定元素Nb、Cr同时向晶界排除Al元素，
在β相和未凝固的液相之间的界面处出现 Al 元素富集区域，这些铝富集区在随后凝固的过程中形成富 Al的γ相或者直接形成γ相，进而导致Al 的偏析，即晶界处黑色衬度区域；在冷却速率较快的情况下，再加上Nb、Cr等β相稳定元素的扩散速率很慢，初生β相来不及完全转变为α相便在晶界残留，形成富Nb、Cr 的β偏析区域。

由β相析出的α相在冷却过程中，大部分会转变为α2/γ层片结构。

图5 含Nb的Ti-A1二元相图Fig.5 Ti-Al binary diagram contained Nb
Nb含量的增加会导致β相在较低的温度开始向α相转变，同时β相中的稳定元素Nb含量较高，因而，导致未转变的β相含量增多。

而在成分偏析的情况下，α相中的某些富 Nb 部分会发生α2+β+γ的转变[13]，使α相在冷却过程中同时析出β(B2) 和γ相，因而析出的β相以平行于层片的条状或打断层片的块状存在于层片晶团内部[8]。

文献[19]的研究表明，TiAl合金层片尺寸随Al含量的增加而增加，Nb含量的增加会导致相图向Al元素含量高的方向移动，因而也会导致合金层片尺寸增加。

Cr 和Nb均为β相稳定元素[20]。

当Nb含量为1%时，Cr元素在β相中的富集比Nb明显，这可能是因为Cr与β相的耦合系数较高，此时，Cr对β相的稳定作用占主导且其稳定效果较 Nb元素显著，因而层片晶界处β相偏析明显，同时也导致Al偏析加剧，如图3(a)所示。

随Nb含量增加Cr的富集逐渐变得不明显，当Nb含量增至7%时，β相中Nb的富集较明显，如表2所列，随Nb含量增加，Nb对β相稳定作用变得突出。

4 结论
1) TiAl-xNb(x=1，3，5，7)合金铸锭的组织为层片组织，铸锭主要由γ相、α2相与少量β相组成；在层片组织间存在2种偏析，分别是网状β相和γ相。

当Nb含量低时，层片组织主要为单相的γ组织，当Nb含量较高时，层片组织主要
为α2/γ组织。

2) TiAl合金铸锭中，Nb含量从1%增加到7%，层片晶团平均尺寸从89 μm增加至190 μm，β相的面积分数从1.9%增至12.9%。

3) 随铸态合金中Nb含量增加，β相中的Nb含量增加而Cr含量减少，γ相偏析区域的宽度减小。

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