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金属学报  2014 , 50 (1): 19-24 https://doi.org/10.3724/SP.J.1037.2013.00498

热处理对一种高强Zr-Ti合金组织和力学性能的影响*

李烨, 张龙, 朱正旺, 李宏, 王爱民, 张海峰

中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室, 沈阳 110016

INFLUENCE OF HEAT TREATMENT ON MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF A HIGH-STRENGTH Zr-Ti ALLOY

LI Ye, ZHANG Long, ZHU Zhengwang, LI Hong, WANG Aimin, ZHANG Haifeng

Shenyang National Laboratory for Materials Science, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016

中图分类号:  TG146.414, TG113.25

通讯作者:  Correspondent: WANG Aimin, professor, Tel: (024)23971782, E-mail: amwang@imr.ac.cn

收稿日期: 2013-08-19

修回日期:  2013-08-19

网络出版日期:  --

版权声明:  2014 《金属学报》编辑部 版权所有 2014, 金属学报编辑部。使用时，请务必标明出处。

基金资助:  * 国家重点基础研究发展计划资助项目2010CB731602

作者简介:

李 烨, 男, 1989年生, 硕士生

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摘要

研究了热处理对高强Zr47Ti45Al5V3 (质量分数, %)合金微观组织和力学性能的影响. 结果表明, 该合金初始加工态由α (hcp)和β (bcc) 2相组成, 板条状的α相均匀分布在β相基体上. 合金虽然具有很高的强度, 但塑性很小, 其抗拉强度为1648 MPa, 而其延伸率只有0.8%. DSC结果表明, 合金在560~750 ℃之间有α→β的相转变. 对热处理后样品的力学性能检测结果表明, 合金中β相含量的增多, 使其塑性提高, 但强度有所降低; 通过在α→β相变点上不同温度的退火处理, 调控α与β相的相对含量可以获得强度和塑性的良好配合. 当合金中β相的体积分数为60%左右时, 合金具有较佳综合力学性能, 其抗拉强度为1398 MPa, 延伸率达到3.1%.

关键词： 锆合金 ; 力学性能 ; 相变 ; 塑性变形

Abstract

Due to the high stress, relative low density and excellent resistance of radiation, Zr-based alloys have become promising structural materials used in the space environment. The relationship between microstructure and mechanical properties is the key issue for designing Zr-based alloy in different alloy systems and has attracted extensive research interests. The microstructures could be adjusted by different processes of heat treatment and thus realizing the optimization of mechanical properties. In this work, the initial microstructure and mechanical properties of a high strength Zr47Ti45Al5V3 (mass fraction, %) alloy was investigated. The XRD results reveal that the initial Zr-based alloy is consisted of α (hcp) and β (bcc) phases. Transmission electron microscopy result shows that the lathy α phase homogenously distributed within the β phase matrix. Mechanical tests of this alloy show very high strength but limited plasticity. The tensile strength is 1648 MPa. However, the tensile elongation is only 0.8%. DSC trace indicates that the transition temperature of α phase to β phase is located between 560~750 ℃ that provides the possibility to adjust the microstructures through different processes of heat treatment. In order to optimize the mechanical properties, several different processes of heat treatment were conducted on this Zr-based alloy, and the relative volume fraction of α and β phase is successfully adjusted. According to the mechanical tests, the plasticity becomes larger as the amount of β phase increases with a slight decrease in strength. When the volume fraction of β phase is about 60%, the alloy exhibits the optimal mechanical performance with a tensile strength of 1398 MPa and an elongation of 3.1%.

Keywords： Zr alloy ; mechanical property ; phase transformation ; plastic deformation

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李烨, 张龙, 朱正旺, 李宏, 王爱民, 张海峰. 热处理对一种高强Zr-Ti合金组织和力学性能的影响*[J]. , 2014, 50(1): 19-24 https://doi.org/10.3724/SP.J.1037.2013.00498

LI Ye, ZHANG Long, ZHU Zhengwang, LI Hong, WANG Aimin, ZHANG Haifeng. INFLUENCE OF HEAT TREATMENT ON MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF A HIGH-STRENGTH Zr-Ti ALLOY[J]. 金属学报, 2014, 50(1): 19-24 https://doi.org/10.3724/SP.J.1037.2013.00498

目前空间关键活动件主要选用不锈钢1Cr18Ni9Ti等传统材料[1], 有时也会使用少量的钛合金, 如Ti-6Al-4V等[2]. 然而这些传统材料和钛合金用作关键活动件时存在着不足之处, 如钢铁材料的密度太高, 钛合金的耐磨性相对较低等, 已不能满足日益频繁的空间活动对于构件的性能要求[3-5]. 为此, 国内外科研工作者们一直在努力探索性能更优异、能大规模应用于空间活动结构件的新合金, 其中Zr及Zr基合金以其轻量化、高耐腐蚀性等性能优势已逐渐成为空间适用性材料的优选材料[6-10]. 目前, 工业上大量使用的锆合金主要为Zr-Nb系和Zr-Sn系[11-15], 最高强度约为900 MPa. 近期, 研究人员[16-20]研制了一种新型的ZrTiAlV合金, 因其具有良好的性能而引发关注, 但是经热锻处理的Zr47Ti45Al5V3合金, 其微观组织结构不均匀、存在明显的织构和残余热应力[21,22]. 这些因素导致该合金的力学性能不稳定, 且塑性较差. 如何通过工艺调整来获得综合性能优异且稳定的合金是当前研究的重点问题. 热锻态ZrTiAlV合金在室温下由α (hcp结构)和β(bcc结构) 2相构成, 且在一定温度条件下能发生相互转变. 因此, 对材料进行热处理不仅可以消除合金的残余热应力, 还可以实现两相转变进而改变两相相对含量, 从而达到对材料力学性能的调控[23]. 针对以上目标, 本工作研究了不同热处理工艺对材料的微观组织结构和力学性能的影响, 并讨论了其内在机理.

1 实验方法

合金的名义成分为Zr47Ti45Al5V3 (质量分数, %), 原材料采用海绵Zr(纯度≥99.5%)、海绵Ti(纯度≥99.7%)、工业纯Al(纯度≥99.5%)和V(纯度≥99.9%). 按照名义成分配比, 在自耗真空电弧炉中熔炼, 获得母合金铸锭, 在930 ℃保温1.5 h, 锻造成直径为40 mm的圆棒. 采用PW1050型X射线衍射仪(XRD)以及Tecnai 20透射电镜(TEM) 表征合金材料的微观结构, 热学性质利用Netzsch 404C差示扫描量热仪(DSC)表征, 加热速率10 ℃/min; 用INSTRON 5582电子万能试验机测试其力学性能; 拉伸试样标注段直径为3 mm, 工作距离20 mm. 合金先被封装在真空玻璃管里, 真空度为10-3 Pa, 然后利用箱式电阻炉进行热处理. 热处理退火温度选取的是560, 570, 590, 650和800 ℃, 升温速度20 ℃/min, 保温时间都为0.5 h, 退火后均为水淬.

2 实验结果

图1是初始加工态Zr47Ti45Al5V3 合金试样的DSC曲线. 可以发现, 在560~750 ℃的范围内, 存在明显的吸热峰, 表明在加热过程中, 合金在该温度区间内发生了相变. 经分析, 相变开始温度约为560 ℃, 峰值温度为650 ℃.

为进一步分析相变的产物, 将合金在560, 570, 590, 650和800 ℃分别保温30 min后水淬, 利用XRD分析合金样品的相组成. 图2是热锻合金试样和热处理后合金试样的XRD谱. 由图可知, 合金初始态组织为α+β相, 且β相的衍射峰强度相对α相较强. 当退火温度为560 ℃时, 合金中所含β相的衍射峰强度相对降低, 低于α相衍射峰强度, 表明合金在低温加热时, β相发生了转变. 由Ti-Zr二元相图可知, β相为高温平衡相, α为低温平衡相. 对于Zr-Ti-Al-V合金, 在低温加热过程中, 合金中亚稳β相发生了转变, 转变为α相. 随着进一步提高退火温度, 合金中β相衍射峰强度逐步增强. 当热处理温度为650 ℃时, 合金主要由β相组成, 仅残存少量的α相. 当热处理温度为800 ℃时, 合金全部为β相. 通过以上分析可以认为, 图1中560~750 ℃范围的吸热相变为α→β转变.

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图1   

Fig.1   初始加工态Zr-Ti合金试样的DSC曲线

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图2   

Fig.2   不同温度退火后Zr-Ti合金的XRD谱

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图3   

Fig.3   不同温度退火后Zr-Ti合金的TEM像

图3给出了不同工艺状态合金样品的TEM观察结果. 图3a为初始热锻合金的TEM明场像, 可以看出, 初始态合金中大量细长板条状α相均匀分布在基体β相上, 这与以前的研究结果相同[24]. 通过对图3a和b进行图像分析可知, 板条状α相含量明显高于基体β相. 随着退火温度进一步提高, 如570和590 ℃, 板条α相所占比例逐渐下降, 同时α相变得更为细小, 如图3c和d所示. 当退火温度达到800 ℃时, 由相应的XRD结果可知合金中的α相完全转化为β相, 因而在TEM下没有观察到板条的存在, 如图3e所示.

图4是初始热锻合金和热处理后合金样品的拉伸应力-应变曲线. 在室温下拉伸时, 初始状态样品表现出高强度(抗拉强度为1648 MPa)和有限塑性变形能力(延伸率仅为0.8%). 随着热处理温度提高, 合金的抗拉强度降低, 但塑性变形能力得到改善. 当合金主要由β相构成时, 即退火温度为650和800 ℃, 合金表现出极为优异的塑性变形能力, 同时抗拉强度为950 MPa.

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图4   

Fig.4   初始热锻状态和不同温度热处理后Zr-Ti合金的拉伸应力-应变曲线

   

表1   不同状态下Zr-Ti合金最强衍射峰拟合面积

Specimen(0002)α(110)β(1010)α(1010)α/ (110)β
Original state368213918370.858659
560 ℃729131713171.105998
570 ℃1058317420730.653264
590 ℃872707026130.369646
650 ℃036572280.062436
800 ℃0216000

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3 分析与讨论

合金的塑性与组织结构密切相关. 为了确定合金中α相和β相与其力学变形行为的相关性, 通过XRD对2相相对含量进行定量分析, 选取其最主要的3个衍射峰, 分别是(0002)α, (110)β和(1010)α进行峰形拟合, 计算其面积, 结果如表1所示.

热处理前合金中存在明显的织构, 不能用粉末衍射强度公式进行定量分析. 故通过如下方法进行定量. i样品某相的某一衍射峰强度Iαi或Iβi可以表示为(i为退火温度):

Iβi=KβVβiI0i(1)

Iαi=Kα(1-Vβi)I0i(2)

式中, Kβ和Kα是由样品内部因素, 如晶粒取向分布. 晶胞结构参数等决定, 对同一个相的某一衍射峰来说是一个定值; Vβi是i样品中β相的含量. I0i是XRD实验的外部因素决定的参数, 如光源强度、辐照面积等, 同一个样品中, 此值是定值. 计算得到, 原始态, 560, 570, 590, 650和800 ℃退火样品中β相的体积分数为43%, 37%, 50%, 64%, 91%, 100%(峰形面积拟合时存在误差率<5%). 从原始态到560 ℃退火态, β相的含量出现降低的现象是因为在560 ℃退火还没有达到相变温度点, α→β的相变并没有发生, 但合金中存在的部分亚稳β相却转变成了α相, 因此β相含量降低; 而当温度超过相变温度点(570 ℃)时, α→β相变发生, β相含量不断增多, 随着温度逐渐升高, 相变发生越来越完全, β相含量进一步增加, 直至800 ℃退火时达到100%.

由图4可知, 初始态的热锻合金样品抗拉强度为1648 MPa, 其相应的延伸率仅为0.8%. 合金在低于相变点即560 ℃保温0.5 h后抗拉强度急剧下降, 由原来的1648 MPa降至1445 MPa, 但其塑性并没有提高. 强度下降是因为在相变点以前保温退火, 合金应力消除, 晶粒变大; 塑性没有提高则是由于β相的含量减少的缘故, 所以此时合金的延伸率反而略低于初始热锻合金的延伸率. 而在温度高于相变点(570 ℃)进行保温0.5 h后, 其抗拉强度继续下降, 但延伸率却明显提高, 由之前的0.7%上升到2.1%, 这是由于与塑性有关的β相含量开始增多(达到50%)导致[25]. 随着退火温度进一步提高, 相变发生更充分, β相含量继续增加, 在590 ℃保温后β相含量达到64%, 故其塑性(延伸率为3.1%)更优于刚开始相变(570 ℃退火态)的合金(延伸率2.1%). 当保温温度达到吸热峰峰值温度650 ℃时, 保温后的合金相变已基本完成, 合金中的α相绝大部分转化成为β相, 此时的合金抗拉强度降至最低, 只有950 MPa, 但其塑性也达到最佳状态, 延伸率为13%. 保温温度再次提高至800 ℃时, 保温后合金力学性能与峰值温度650 ℃保温后的合金基本一致, 更进一步说明了决定合金力学性能的因素是α与 β的百分比含量, 图5给出了Zr-Ti合金拉伸塑性与β相含量的关系图. 由以上分析可知, 该Zr-Ti合金的强度与α相有关, α相含量越多则合金强度越高, 而合金的塑性与β相含量有关, β相含量越多则塑性越好. 保温温度为590 ℃时, Zr-Ti合金有着较佳的综合力学性能, 此时的合金拉伸屈服强度为1398 MPa, 延伸率为3.1%.

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图5   

Fig.5   Zr-Ti合金的延伸率与β相含量的关系

4 结论

(1)热处理对于Zr47Ti45Al5V3 合金的微观组织结构具有明显影响. 合金初始态由α与β相组成. 热处理过程中, 当热处理温度达到560~570 ℃时合金样品开始发生α→β转变, 随着退火温度的升高, 合金中α相含量降低, β相含量增加. 当退火温度为650 ℃时, 相变基本发生完全, 合金绝大部分由β相组成, 当退火温度为800 ℃时, 合金完全由β单相组成.

(2)热处理对于Zr47Ti45Al5V3 合金的力学性能有显著改善作用. 初始热锻状态的Zr47Ti45Al5V3合金具有较高的强度, 室温下抗拉强度为1648 MPa, 其相应的延伸率仅为0.8%, 随着退火温度的升高, 特别是达到相变点以后, 合金的延伸率显著提高, 相应的抗拉强度有所下降.

(3)合金的力学性能由α和β相的相对含量决定, 合金中α相多时塑性差而强度高; β相越多则合金塑性越好但强度下降.

(4)当β体积分数达到60%左右时, 合金具有较佳的综合力学性能, 其抗拉强度为1398 MPa, 延伸率为3.1%.

感谢燕山大学刘日平教授和马明臻教授提供实验所用Zr-Ti合金材料.

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