弥散强化对PtRh10高温力学性能及微观形貌的影响

05216 功 燧 讨 科 2021年第5期(52)卷
文章编号：1001-9731( 2021 )05-05216-05
弥散强化对PtRhl0高温力学性能及微观形貌的影响"
吴保安123，李 凤123，唐会毅123，肖雨辰1,23，杨晓亮1，喻 峰1，蔡欣男1，杨子明1
（1重庆材料研究院有限公司，重庆400707； 2.国家仪表功能材料工程技术研究中心，重庆400707；
3.重庆市稀贵金属高效应用工程技术研究中心，重庆400707）
摘 要： 通过对弥散强化的铂铑10合金（4GC1-QPR10）和普通铂铑10合金（4GC1-PR10）进行1 400 C 高温拉
伸试验和蠕变断裂寿命试验，并用光学显微镜（OM ）、扫描电子显微镜（SEM ）观察和分析断口附近的表面形貌、
金相以及断口的微观组织结构，对比性地研究了二者在高温环境下的力学性能及微观组织变化，结果表明，在1
400 C 的高温拉伸和蠕变断裂寿命试验中，GC1-QPR10的抗拉强度和屈服强度均明显高于4GC1 - P R10,并保持
相对高的延伸率，且在恒定载荷下，蠕变断裂寿命提升明显；4GC1-PR10晶粒严重长大，而4GC1 -QPR10断口附
近的晶粒仍然保持着纤维状组织，晶粒未明显长大；4GC1-QPR10和4GC1 - P R10断口均为韧窝状，但460-
PR10断口处韧窝尺寸大小不均匀，而4GC1 -QPR10断口处韧窝细小、密集，并在韧窝中或是韧窝周围均匀地分
布着第二相颗粒。

关键词：弥散强化；高温拉伸；蠕变断裂寿命；断口组织
中图分类号：TG146.3 文献标识码:A D0I ：10.3969/j.issn.l0019731.2021.05.033
0引言
铂合金因具有较高的熔点，优良的高温强度，高温 抗腐蚀性能，高温下化学性质稳定，且具有较好加工性
能，并可重复回收利用等优点，成为特殊应用环境中不
可缺少的高温结构材料［「3］。

近年来，快速发展的液晶
显示玻璃行业、航空、高温晶体、新能源等行业对铂金 材料高温服役性能提出更高要求，同时，随着铑价格的 不断攀升，为降低生产成本，提高铂金制品的使用寿命
至关重要⑷。

但普通的铂合金长时间处于高温应力环 境时，晶粒会出现严重的长大现象，高温强度和高温持 久性能降低明显，因此，在高温应力的作用下，铂金制 品的使用寿命往往较短［5「6］。

为了提高铂金材料在高 温应力条件下的服役性能，对铂金材料进行强化，其最
常用的强化方式为固溶强化和弥散强化。

本文主要介 绍通过弥散强化的铂金材料与未强化铂金材料在
1 400 C 高温力学性能及微观组织差异对比，阐明弥
散强化在高温环境下对铂金材料高温力学性能的影 响，并为实际生产应用提供依据。

1实验
1.1材料制备
实验所用的样品为重庆材料研究院有限公司的弥 散强化铂铑10（以下简称为4GC1-QPR10）以及普通 铂铑10（以下简称为4GC1 - P R10）。

其中，4GC1-
QPR10采用纯度（质量分数，下同）为99.99%的铂、
铑，纯度为99.95%的锆（含量0.1%〜0.3%）,按比例 置于真空熔炼炉中熔炼成三元合金锭后，通过热锻冷
轧的方式将合金锭轧制厚度为0.3 mm 的片材后置于 温度为1 300 C 的氧化环境下进行内氧化，使单质锆 充分氧化，变成强化相氧化锆，氧化时间为12 ho 将氧
化好的片材叠加在一起进行成型加工，得到弥散强化
PtRhl0合金锭。

为与4GC1 -QPR10形成对比,4GC1- PR10采用常规浇铸工艺得到铸态合金锭，通过锻、轧、
拉拔等方式加工成试验所需的样品。

1 400 C 高温持
久试验的样品为①0.6 mm 的丝材，1 400 C 高温拉伸 样品厚度为25 mm,其样品如图1所示，样品实际尺 寸公差如表1所示。

图1高温拉伸试验样品
Fig 1 Sample for high temperature tensile test
1.2实验方法及仪器
将试验样品分别进行高温拉伸和蠕变断裂寿命试
验。

高温拉伸试验设备为高温拉伸试验机，测试温度
1 400 C,升温速率10 C/min,试验气氛为氮气；蠕变
断裂寿命试验所用设备为立式检定炉，测试温度
*基金项目：中国机械工业集团有限公司重点研发资助项目（SINOMACH2017科247号）；重庆市技术创新与应用发展专项重
点资助项目（cstc2019jscx-mbdxX0001）
收到初稿日期:2020-11-10 收到修改稿日期:2021-02-17 通讯作者：吴保安，E-mail ： ***************作者简介：吴保安（1981—）,男，河南新乡人，高级工程师，主要从事贵金属材料的研究与开发。

吴保安等：弥散强化对PtRhl0高温力学性能及微观形貌的影响
05217
1 400 C,恒定载荷15及20 MPa,升温速率10 C/min, (OM),扫描电子显微镜(SEM)进行断口形貌分析。

试验气氛为空气 。

用光学显微镜进行形貌及晶相分析
表1
1 400 C 高温拉伸样品的尺寸公差
Table 1 Dimensional tolerance of sample at 1 400 C
样品编号厚度/ mm
测试区域长度/mm
测试区域宽度/mm
样品总长度/mm
4GC1-PR10 2.4589.929.75
209.93
4GC1-QPR10
2.198.969.78209.98
2结果与讨论
2.1 1 400 C 高温力学性能分析2.1.1 高温拉伸
图 2 为 4GC1 -PR10 和 4GC1 -QPR10 在 1 400 C
下的高温拉伸曲线(应力-立移曲线)，表2为1 400 C
高温拉伸试验结果。

由图2的拉伸曲线可知，两种材 料在1 400 C 高温拉伸过程均有明显的屈服和缩颈阶 段，其塑性良好。

弥散强化相(氧化锆)的加入,
PtRhl0的弹性模量和抗拉强度显著增加，但材料的塑
性略微下降。

由表2可知，4GC1 -QPR10在1 400 C
高温环境下，抗拉强度、屈服强度均显著提高，抗拉强
度提高43.18%,屈服强度提高47.6%,且能在该温度 下保持相对高延伸率。

表明4GC1-QPR10具有更高
的高温结构稳定性和高温力学性能稳定性。

图 2 4GC1-PR10 和 4GC1 -QPR10 在 1 400 C 下的
高温拉伸测试曲线
Fig 2 Stress-displacement curves of 4GC1-PR10 and
4GC1-QPR10 at 1 400 C
表2
1 400 C 高温拉伸测试结果
Table 2 The results of tensile test at 1 400 C temperature
样品编号抗拉强度(R m)/MPa
屈服强度(R p0.2)/MPa
断后伸长率(A 15 mm)/%
4GC1-PR10
22
2131.4GC1-QPR1031.
31
19.0
2.1.2蠕变断裂寿命表3为1 400 C 蠕变断裂寿命试验结果。

由表3
可知，在15 MPa 恒定载荷的应力作用下，4GC1 -PR10 的蠕变断裂寿命为8 min,而4GC1-QPR10的寿命达 到了 167 min,是 4GC1-PR10 的 20.8 倍；在 20 MPa 恒 定载荷的应力作用下，4GC1 -QPR10的蠕变断裂寿命 是4GC1-PR10的20.4倍。

由此可知，在1 400 C 的高
温和恒定载荷环境下,GC1-PR10的蠕变断裂寿命较 短，严重影响PtRhl0合金制品在高温环境下的使用 寿命,而强化相氧化锆颗粒的加入，其材料的蠕变断裂
寿命大大提高，采用强化材料解决了行业通过提高铑 含量进行的固溶强化，进而降低材料成本的迫切实际 需求。

表3 1 400 C 蠕变断裂寿命试验结果
Table 3 The results of creep rupture CiCe test at 1 400 C
temperature
2.2 1 400 C 高温拉伸断口形貌分析
2.2.1 1 400 C 高温拉伸断口附近表面形貌
图3显示了 4GC1 -PR10和4GC1 -QPR10合金材
样 品 编 号
蠕变断裂寿命
蠕变断裂寿命15/MPa ・ min —1
20/MPa ・ min —1
4GC1-PR10854GC1-QPR10
167
102
料在1 400 C 高温断口处的表面形貌。

从宏观上观 察,GC1-PR10断口处出现明显的塑形变形及缩颈现 象，如图3(a)所示，而4GC1-QPR10断口处塑性变形
痕迹不明显，断口形貌较为尖锐，如图3(b)所示。

弥
散强化相(氧化锆)的加入，使高温抗拉强度和屈服强 增加，但其延伸率有所降低。

(a)4GC1 -PR10 (b)4GC1 -QPR10
图 3 4GC1-PR10 和 4GC1 - QPR10 1 400 C 高温断口
表面形貌的OM 照片
Fig 3 OM images of the surface morphologies of 4GC1-
QPR10 and 4GC1-PR10 materials at 1 400 C
2.2.2 1 400 C 高温拉伸断口处组织分析
图4为4GC1 -PR10和4GC1 -QPR10的金相组织照片。

图 5 为 4GC1 -PR10 和 4GC1 -QPR10 在 1 400
C 高温拉伸断口处的金相组织图。

在4GC —PR10
的
科2021年第5期(52)卷05218
金相组织中(图4(a))晶粒大小不一，且可见黑色空洞。

而在4GC1-QPR10的组织中(图4(b))，能清晰看到黑色颗粒均匀地分布在晶粒内和晶界上,晶粒为拉长状的纤维组织结构。

由1400C高温拉伸断口晶粒可以发现4GC1-PR10的晶粒严重长大，如图5(a)所示。

而4GC1-QPR10在1400C高温拉伸断口附近的晶粒与常温时的晶粒(图4(b))相比并未产生太大变化，仍然保持着材料加工过程中形成的纤维状组织，未发现晶粒明显长大，且在晶粒内和晶界处均匀地分布着细小的黑色颗粒状斑点(图5(b))对4GC1-PR10的金相组织(图5(a))其为第二相质点在金相腐蚀过程中被溶解或脱落形成的黑色凹坑，由此证明弥散强化相(氧化锆)在合金中的均匀分布。

(a)4GC1-PR10(b)4GC1-QPR10
图44GC1-PR10和4GC1-QPR10高温拉伸试验前的金相组织照片
Fig4OM images of of4GC1-PR10and4GC1-QPR10 beforehigh-temperaturetensiletests
(a)4GC1-PR10(b)4GC1-QPR10
图54GC1-PR10和4GC1-QPR10在1400C高温拉伸断口处的金相照片
Fig5OM images of the microstructures of4GC1-PR10and4GC1-QPR10after high-temperature
tensile tests at1400C
2.2.31400C高温拉伸断口处形貌
图6为4GC1-PR10和4GC1-QPR10在1400C 高温断口处的形貌图。

由图6可知，在1400C高温拉伸试验中,GC1-PR10和4GC1-QPR10的断口均为韧窝状断口，但4GC1-PR10断口韧窝尺寸大小不均匀，且断口处出现明显的滑移带。

在高温拉伸过程中,韧窝随着样品变形而发生韧窝切向变形，由圆形韧窝逐渐变为抛物线形韧窝，最后韧窝逐渐拉长消失，在断口处只留下部分韧窝痕迹，如图6(a)和(b)所示; 4GC1-QPR10断口处韧窝细小、密集，如图6(e),且在韧窝中或韧窝周围均匀地附着第二相颗粒，如图6(d)所示。

并对4GC1-QPR10断口进行EDS面扫描，发现断口周围的细小颗粒为氧化锆，且均匀地分布在断面上，如图7所示。

由此证明，在高温和应力作用下，晶界易发生滑移，但由于强化颗粒氧化锆弥散的分布在晶内、晶界处，增加了位错移动的阻力，使得滑移抗力增加，从而提高材料在高温强度［切。

Date:26May2020Date:26May2020
Date:26May2020Date:26May2020
Time:13:24:12
(c)4GC1-QPR10(d)4GC1-QPR10
C20.00kV
H2M m Wggmm
(b)4GC1-PR10
(a)4GC1-PR10
_10pm
20.00kV
_10pm WDa66mrn
图64GC1-PR10和4GC1-QPR101400C高温断口处的SEM图
Fig6SEM images of fracture morphologies of4GC1-PR10and4GC1-QPR10at1400C
图74GC1-QPR10断口EDS面扫描图
Fig7EDS scanning of dispersion-strengthenecl4GC1-QPR10fracture surface
3讨论
铂铑合金材料在高温工况中容易产生回复和再结晶，长时间在高温环境中使用,晶粒会发生长大，
而晶
05219吴保安等：弥散强化对PtRhl0高温力学性能及微观形貌的影响
粒的大小直接影响着材料的强度[0]。

弥散强化相氧化错是一种强度高、硬度大、韧性好，在基体中均匀分布的细小颗粒[11],其熔点远高于铂金基体金属，且在基体金属中几乎无溶解度[2]，与基体金属弹性模量差异较大，不会随着温度升高而发生变形，通过钉扎在晶界或晶粒内部，阻碍晶界的迁移和晶粒长大，提高材料再结晶温度[13],使材料尽可能保持了高度拉长的晶粒组织结构(纤维状组织)，从而使材料在高温环境下具有稳定的晶粒结构。

在高温应力作用下，晶粒沿着切应力方向发生滑移，而强化相氧化错颗粒均匀地分布在基体晶粒内或是晶界上，位错滑移将以绕过或攀移的方式与强化相粒子发生交互作用，因此基体与强化相粒子的界面存在点阵畸变和应力场，从而成为位错滑动的阻碍。

晶粒内滑移位错在晶界受阻后，使得晶界应力升高，从而有效地提高了铂铑合金材料的高温强度。

4结论
(1)在1400C高温环境下，弥散强化相的加入，使得PtRhl0合金材料的抗拉强度、屈服强度均显著提高，抗拉强度提高了43.8%,屈服强度提高了47•6%,且能在该温度下保持相对高延伸率。

(2)在1400C高温及恒定载荷分别为15和20MPa的应力环境下，弥散强化相的加入,4GC1-QPR10蠕变断裂寿命分别为4GC1-PR10的20.8倍和20.4倍，表明弥散强化使PtRh10合金制品在高温环境下的使用寿命更加优异。

(3)在1400C高温拉伸过程中，4GC1-QPR10断口附近的晶粒仍然保持着材料加工过程中形成的纤维状组织，未发现晶粒明显长大，且在晶粒内和晶界处均匀地分布着细小的黑色颗粒状斑点，而4GC1-PR10晶粒明显长大。

(4)4GC1-PR10断口韧窝尺寸大小不均匀，断口处出现明显的滑移带，而4GC1-QPR10断口处韧窝细小、密集，并在韧窝中或是韧窝周围均匀地分布着第二相氧化错颗粒。

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05220功滋讨科2021年第5期(52)卷The influence of dispersion strength on the high temperature
mechanical properties and microstructure of PtRhl0alloy
WU Baoan1'2'3,11Feng1'2'3,TANG Huiyi1'2'3,XIAO Yuchen1'2'3,
YANG Xiaoliang1,YU Feng1,CAI Xinnan1,YANG Ziming
(1.Chongqing Materials Research Institute Co..Ltd Chongqing400707，China；
2.National Engineering Research Center for Instrument Functional Materials,Chongqing400707，China；
3.Chongqing Engineering Research Center of Rare and Precious Metals High Effective Application,
Chongqing400707,China)
Abstract:In order to study the mechanical properties and microstructural change of dispersion strengthened PtRhl0(4GC1-QPR10)and ordinary PtRhl0(4GC1-PR10)under high temperature,tensile tests and creep rup­ture life test were conducted on4GC1-QPR10and4GC1-PR10at1400°C,The microstructures of the fractures and the surface morphologies near the fractures were observed by optical microscope(OM)and scanning elec­tron microscope(SEM).The results showed that,In the high temperature tensile test and creep rupture life test at1400C,the tensile strength and yield strength of4GC1-QPR10were signficantly higher than4GC1-PR10,and remained relatively high elongation,under the constant load,the creep rupture life of4GC1-QPR10 increased obviously.The grains of4GC1-QPR did not grow significantly and still keep fibrous structure,while 4GC1-PR10grains were seriously grown.The fractures of4GC1-QPR10and4GC1-PR10were dimpled frac—tures,thesizeofthedimples werenotuniform of4GC1-PR10,butthedimplesoffracture weresma l and densely arranged of4GC1-QPR10,and the fine black particles were uniformly distributed within the grains and grain boundaries.
Key words:dispersion strengthening；high-temperature tensile；creep rupture life；fracture morphology
(上接第05199页)
Study on the preparation of hydroxyapatite materials assisted by
natural surfactants
GU Wanting1,DONG Ytixuan1,LIU Tong1,HAN Bing1,
ZHAN Shuhui1,JIANG Jianxin1,HAN Chunrui1',SONG Jie3
(1.MOE Engineering Research Center of Forestry Biomass Materials and Bioenergy,
College of Materials Science and Technology,Beijing Forestry University,Beijing100083,China；
2.Key Laboratory of Biomass Energy and Material,Jiangsu Province,Nanjing210042,China；
3.College of Biology and Chemistry,University of Michigan(Flint),Michigan48502,USA) Abstract:Hydroxyapatite(HAP)is a stable and biocompatible functional material for bone repair and drug de­liver y.Two kinds of hydroxyapatite materials,dandelion microspheres and nanoparticles,are prepared by hy­drothermal method with sapindoside as template and modifier.The structures of the materials are characterized by X-ray diffraction(XRD)and scanning electron microscopy(SEM).The effects of saponin concentration on the morphology of the materials are investigated.It is found that under acidic conditions,with the increase of saponin concentration,the rod-shaped structure becomes shorter.When the concentration increases to2g/L (10CMC),it grows into a dandelion like aggregate,and the saponin acts as a template・Under the alkaline con­dition,it modifies and disperses,and the material tends to be regular and uniform.In order to fully study the roleofsapindosideinthepreparationofmaterials,thestructureofsapindosideiscalculatedbythesoftwareof GaussView,and the optimal configuration and pair electrostatic distribution map are obtained.It is speculated that sapindoside could be used as template or modifier through electrostatic adsorption between organic matter and Ca2+・In this study,the principle of natural surfactant assisted preparation of HAP is studied from the per­spective of quantum chemistry.It is not only of great significance to the development and research of HAP func-tionalmaterials,butalsoexpandstheapplicationofnaturalsurfactantsinthepreparationofinorganicfunctional materials.
Key words:sapindoside；hydroxyapatite；quantum chemistry；template；modification。