Ti-Zr-Y三元合金的制备及组织性能研究

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钛(Ti)和Ti合金具有诸多优异的理化性能,如低密度(密度只有钢和镍基超合金的一半)、高比强度、生物相容性良好、耐腐蚀性及抗疲劳性能优越等,在军事航空、生物医学、化工能源等领域得到了广泛的应用。锆(Zr)与Ti属于同一主族元素,二者具有相似的性质和结构。由于两种元素易在合金表面生成稳定的钝化膜,其均具有较高的耐蚀性,而且在Ti合金中加入适量的Zr可以提高合金的强度和耐腐蚀性能。Ti Zr基合金已成为航天、化工、生物等领域最具潜力的材料之一,受到全世界钛合金科研工作者的高度关注。但传统二元钛锆合金的强度比较低,为了扩展钛锆合金的应用领域,研究并制备出新型钛锆合金具有十分重要意义。添加合金化元素是改善钛锆合金组织及性能的有效手段,本文系统的研究了Y含量对铸态和轧制态Ti-25Zr合金显微组织、力学性能及腐蚀行为的影响。同时研究了在不同退火温度下,Ti-25Zr-0.4Y合金显微组织形貌与力学及腐蚀性能之间的关联性。通过真空非自耗电弧熔炼炉制备出一系列含Y钛锆三元合金铸锭,同时采用光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜、电化学工作站及万能材料试验机等仪器,对铸态合金的相组成、显微组织结构、力学及耐腐蚀性能进行测试分析。研究结果表明:添加微量稀土Y元素能显著细化铸态合金的显微组织,合金的β晶粒细化机制可用成分过冷来解释,α板条的细化机制为原始β晶粒细化导致β相界面增加,从而在β→α转变期间促进α相形核点增加。Y含量在0.4 at.%~0.8 at.%范围内时,压缩强度得到很大的提升。在5wt.%HCl溶液中,所有铸态Ti-25Zr-xY合金都表现出相似的电化学腐蚀行为,且合金的耐腐蚀性对Y含量添加量息息相关,Ti-25Zr-0.1Y合金展现出最优异的耐腐蚀性能。在700℃(两相区)条件下,对Ti-Zr-Y三元合金进行热轧变形处理,研究结果表明,Ti-25Zr-0.4Y合金呈现出最佳的力学性能。热轧态的Ti-25Zr-0.4Y合金拉伸强度为932 MPa,断后延伸率为10.12%。与铸态合金相比,轧制处理使Y含量较高的合金(≥0.2 at.%)耐蚀性有所改善。这是由于轧制使合金中第二相粒子重新分布,细小且弥散分布的第二相在一定程度上增加电偶腐蚀的随机性和均匀性,在一定程度上有助于降低合金发生点蚀及晶间腐蚀的倾向。同时研究了经热轧后的Ti-25Zr-0.4Y合金在600℃、700℃、800℃、900℃四种退火温度条件下的组织及性能变化,结果表明退火处理可以改善合金的塑性及耐蚀性,但随着退火温度的升高,合金中的β相含量和α板条尺寸逐渐增大,合金的塑性得到提升,但强度及耐蚀性却在不断下降。
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