摘要
对比测试了2种低成本、易变形的Ti-44Al-3Mn-0.8Mo(TMM)和Ti-44Al-3Mn-0.4Mo-0.4W(TMMW)合金(原子分数,%,下同)的耐磨性能和拉伸性能,分析了用0.4Mo-0.4W替代0.8Mo后对其耐磨性、显微硬度、拉伸性能以及显微组织特征的影响。结果表明,W替代部分Mo使Ti-Al-Mn-Mo系合金的耐磨性能与显微硬度得到明显改善,且合金室温和高温拉伸强度有所提高,室温延伸率由0.75%提高至1.50%,高温延伸率稍有降低。对比发现,合金中W的β稳定作用要稍弱于Mo,W的替代使得合金组织中残存的βo相和γ相含量降低,α2相含量明显增加,片层组织含量提高,片层间距减 小。TMMW合金具有更高的显微硬度和更佳的耐磨性与W替代后合金组织、相构成变化有密切关系。W替代部分Mo后合金βo相含量减少、片层含量的提高及片层厚度的降低是合金具有更高拉伸强度和更优室温延伸率的主要原因。
关键词
γ-TiAl合金具有轻质(密度约4 g/c
在常见的β凝固γ-TiAl合金体系中,Ti-Al-Mn系合金由于兼具低成本、易变形特点,近年引起了国内外学者们的广泛关
与钛合金相比,γ-TiAl基合金具有更优异的耐磨性,因此,人们也尝试将该类合金制造成一些有轻量化、耐磨性要求的结构部件,如内燃机气门部件,该部件在实际应用过程中,为了尽可能传递燃气燃烧产生的热量,降低气门杆部温度,气门杆部需要配备一些特定尺寸的导管摩擦
为此,本工作选择前期开发的TMM和TMMW 2类合金,测试了2类合金与不同导管之间的往复滑动摩擦行为,同时分析了2类合金显微硬度、拉伸性能及微观组织特征,系统探究了W替代部分Mo对Ti-Al-Mn-Mo系合金组织与性能的影响及其内在原因。
以海绵钛、工业铝、提纯锰、铝钼中间合金、铝钨中间合金为原料,采用真空感应熔炼方式制备Ti-44Al-3Mn-0.8Mo(原子分数)合金和Ti-44Al-3Mn-0.4Mo-0.4W(原子分数)合金铸锭,分别简称为TMM合金和TMMW合金,铸锭质量20 kg,重力浇注成4支尺寸为Ф50 mm×800 mm的铸锭。随后对铸锭进行热轧变形,轧制变形是在大气环境下采用三辊Y型轧机一次多道次轧制成直径为12 mm的棒材,轧制初始变形温度为1380 ℃,详细轧制过程可见文献[
将热处理后的棒材制成Φ10 mm的气门杆,气门杆表面粗糙度Ra为0.8。测试TiAl杆与PMF10E、5520这2种材质的导管之间的磨损行为,如

图1 TiAl合金气门杆和导管副配的实物图
Fig.1 Actual photograph of the TiAl valve-stem and valve guide

图2 气门杆和导管的工作原理图
Fig.2 Working schematic diagram of valve-stem and valve guide
材料硬度是衡量金属磨损性能的一项重要指标,硬度越大,材料抵抗弹性变形、塑性变形和破坏的能力越强。因此,本工作同时测量了热处理后两类合金表面的显微硬度。显微硬度在HVS-1000Z显微硬度仪上进行测量,载荷为300 g,保载10 s,测量位置不低于10个。另外,也对两类合金拉伸性能进行了测试,试样尺寸为M10×60 mm,性能测试试验是在美国MTS高温拉伸试验机上测试,测试温度包括室温、750、800和850 ℃,平行试样为3个,计算合金抗拉强度,屈服强度和延伸率的平均数值和方差。
对热处理后2种合金试样进行打磨、抛光等标准金相方法处理后,采用JXA-iHP200F场发射电子探针显微分析仪(EPMA)在背散射电子模式(BSE)下观察2种合金的显微组织结构,并用IPP 6.0图像分析软件测量和统计组织中(α2/γ)片层团的晶团尺寸及体积分数。将上述2种样品安装在70°预倾斜支架上并在配备有EBSD检测器的场发射扫描电子显微镜(Verios 5 UC)上分析其相分布及相分数。采用Talos F200X G2透射电子显微镜(TEM)观察片层组织微观形貌,采用IPP 6.0图像分析软件测量和统计片层尺寸及片层厚度。

图3 TMM和TMMW材料制备的气门杆和5520、PMF10E材质导管的磨损量
Fig.3 Mass loss of the valve-stem manufactured by TMM and TMMW (a) and valve guide made by 5520 and PMF10E (b)

图4 TMM与TMMW的显微硬度
Fig.4 Microhardness of TMM and TMMW
对2种合金热处理后的棒材进行了室温/高温拉伸测试,并将结果列于

图5 TMM和TMMW合金室温和高温的拉伸性能
Fig.5 Tensile properties of TMM (a) and TMMW (b) alloys at room temperature (RT) and high temperatures

图6 TMM和TMMW合金的EPMA图
Fig.6 EPMA images of TMM (a) and TMMW (b) alloys
Alloy | Lamellar content/vol% | Lamellar colony size/μm | Thickness of α2 lamella/nm | Lamellar spacing/nm |
---|---|---|---|---|
TMM | 67.58±2.48 | 30.66±10.84 | 42.14±12.48 | 65.97±4.02 |
TMMW | 80.65±2.07 | 36.24±14.03 | 17.17±10.71 | 42.05±3.99 |
为了进一步分析2种合金的相构成及相体积分数变化,对2种样品进行了EBSD分析,如
(1) |

图7 TMM和TMMW合金的EBSD图
Fig.7 EBSD images of TMM (a) and TMMW (b) alloys
Alloy | α2 | βo | γ phase in α2/γ lamella | γ (at colony boundaries) | Total content of γ phase |
---|---|---|---|---|---|
TMM | 2.32 | 5.96 | 65.26 | 26.46 | 91.72 |
TMMW | 7.07 | 3.71 | 73.58 | 15.64 | 89.22 |
(2) |
其中,γA为片层团周围γ相含量,βo(EBSD)为EBSD测得的βo相含量,VL为统计软件测得的片层团体积分数,γL为片层团内部γ相含量,γ(EBSD)为EBSD测得的γ相含量。
通过

图8 TMM和TMMW合金的片层组织TEM图
Fig.8 TEM images of lamellar structure of TMM (a) and TMMW (b) alloys
前文实验结果表明,TMM和TMMW合金均为近片层组织,但两者的相含量和晶粒尺寸存在一定区别。具体地,W替代部分Mo后,Ti-Al-Mn-Mo系合金组织中残存的βo相和γ相含量降低,α2相含量明显增加,片层组织含量和晶团尺寸增加,片层间距明显减小。
通常而言,β凝固γ-TiAl合金中βo相含量与β稳定元素添加的含量与种类有关,因此,可以认为由于TMM和TMMW 2种合金中β相稳定元素的不同使得各自相构成存在上述差异。然而,目前相关文献报道的W和Mo对β相的稳定作用仍存在一定分歧。如,Sun
[Cr]=Cr+Mn+3/5V+3/8Nb+3/2(W+Mo)+3Fe | (3) |
[Mo]eq-RT=Mo+W+1/3Cr+1/4Mn+1/4V+1/9Nb | (4) |
[Mo]eq-HT=Mo+2W+1/2Cr+1/3Mn+1/5V+1/10Nb | (5) |
[Nb]=1/3Cr+1/2Mn+1/2V+1/6Mo+1/8W | (6) |
为进一步探究2种合金中W和Mo元素的β稳定作用,引入了不同相中合金元素的分配系数进行分析。为了说明TMM和TMMW合金中W和Mo元素的β稳定作用强弱,本研究主要考虑基体γ相和βo相的元素分配行为。
(7) |
式中,c为j元素在i相中的浓度;c为j元素在γ相中的浓度。当k>1时,j元素倾向富集在i相中,反之,则富集在γ相中。
Alloy | Ti | Al | Mn | Mo | W | |
---|---|---|---|---|---|---|
TMM | βo | 57.76±0.65 | 34.01±0.51 | 6.36±0.17 | 1.87±0.32 | - |
γ | 51.83±0.02 | 45.37±0.01 | 2.24±0.02 | 0.55±0.03 | - | |
1.11 | 0.75 | 2.84 | 3.40 | - | ||
TMMW | βo | 56.20±0.58 | 33.13±1.01 | 8.25±0.40 | 1.27±0.01 | 1.14±0.01 |
γ | 51.87±0.35 | 44.69±0.43 | 2.74±0.07 | 0.37±0.02 | 0.33±0.02 | |
1.08 | 0.74 | 3.01 | 3.43 | 3.45 |
由
上述分析表明,在Ti-44Al-3Mn-0.4Mo合金中,Mo的β稳定作用要稍强于W。即是说,2种合金高温发生 β→α转变程度会存在一定差异。对于TMMW合金,由于0.4% Mo-0.4% W的β稳定作用要弱于0.8% Mo,因此其β→α转变程度会更高,也就是说,将有更多的高温β相发生转变,这将使得高温下合金α相含量增多及尺寸增加,进而由高温α相转变而来的α2/γ片层的体积分数、片层晶团尺寸以及α2相含量均出现不同程度的提高。此外,已有一些文献报道发现,W会在γ/γ和α2/γ界面偏析,对片层起到钉扎作用,影响γ与α2层片的侧向生长,从而减缓片层厚度方向生长速度,起到细化片层的作
通常而言,金属的耐磨性与其表面硬度和内部组织有
拉伸性能测试结果表明,TMMW合金的拉伸强度要高于TMM合金,不同温度下的抗拉强度均较TMM合金提升10%以上,但室温拉伸时屈服强度仅提高了1.8%;塑性方面,TMM合金的高温塑性更好,高于TMMW合金7%左右,但室温塑性更低。性能的不同一方面与α2/γ片层有关,另一方面与片层团周围的γ相和βo相也有关系。W替代部分Mo之后片层团体积分数增加了13.07%,片层间距减小了36.3%,α2片层厚度减小了59.3%,细片层的界面会对位错的运动造成阻碍,增加跨层变形和层间变形的阻力,使强度提
1)Ti-44Al-3Mn-0.4Mo-0.4W(TMMW)合金与Ti-44Al-3Mn-0.8Mo(TMM)合金热处理后均为近片层组织,但TMMW合金的片层体积分数更高,片层团尺寸稍大,片层间距和片层厚度更小。
2)用W替换部分Mo之后,合金的α2相含量增加,βo相和γ相含量减少,使得TMMW合金的硬度较TMM合金提高了21.4%。
3)TMMW合金制备的气门杆和5520、PMF10E这2种材质的导管摩擦后的磨损量与TMM合金相比,分别减少了16.6%和51.5%,耐磨性能更好,这归因于硬度的提高。
4)用W替换部分Mo之后,合金的室温和高温拉伸抗拉强度和屈服强度都有所提高,室温延伸率由0.75%提升至1.50%,而高温拉伸塑性降低了6%~9%。
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