Ti-Al-Y三元系相图1000℃部分等温截面重新确定.pdf_大学文库

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1995.06.003 第17卷第6期北京科技大学学报 Vol.17 No.6 195年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1995 Ti-A-Y三元系相图1000℃部分等温截面重新确定杨志尚)任立斌》章复中)周荣章)余宗森) I)北京科技大学冶金系，北京100083 2)北京联合大学轻工建材学院摘要利用扩散偶局部平衡原理，通过金相观察和电子探针微区成分分析，重新测定了1000℃下 T-川-Y三元系部分等温截面相图.首次发现该系在10℃存在两个三元化合物均相区 Y(AlTi-h(x=80%~l00%)和Y(Al:Ti-h(x=80%一I006).改变了以前发表的关于Ti-A1-Y 三元相图1000℃等温截面的研究结果.此外在所测部分等温截面相图中存在6个单相区.9个两相平衡区.4个三相平衡区.I000℃下Y在TiA1和TA相中存在1个固溶区，其最大固溶度分别为 (原子)1.25%和4.20%，Y在TiA1和TiA相中固溶度很小，均小于（原子）0,16 关键词相图/钛一铝一钇合金，YA1T-b,Y,(ATi-b 中图分类号TG11314 Re-Determination of 1000 C Partial Isothermal Section of the Ti-Al-Y Ternary System Yang Zhishang"Ren Libun"Zhang Fuzhong Zhou Rongzhang"Yu Zongsen 1)Department of Metallurgy.USTB.Beijing 100083.PRC 2)Collage of Light Indurstry Building Materials.Beijing Union Iniversity ABSTRACT The 1000 c partial isothermal section of Ti-Al-Y ternary phase diagram has been re-determined by using diffusion couple.electron microprobe analysis and metallography.The homogeneity ranges of two ternary compounds Y(Al,Ti)and Y,(Al,Ti) (x=80%100%)at 1000 c have been discovered.Six single phase regions.nine tow phase regions and four three phase regions have been determined in the studied partial isothermal section.The max.solid solubilities of Y in TiAl and TiAl,were found to be 1.25%(atom)and 4.20%(atom)respectively.However.those in Ti,Al and TiAl,were found to be lower 0.1%(atom). KEY WORDS phase diagrams/Ti-Al-Y alloys.Y(Al,Ti):.Y:(Al,Ti TA1金属间化合物以其低比重，高熔点，高弹性模量及良好的抗氧化性能，而作为潜在的高温结构材料，引起了材料科学工作者的普遍关注.然而，由于低室温塑性和差的高温加工性能，限制了它的实际应用.最近10多年世界各国已进行了大量的改善TiA1室温塑性的研究，主要通过合金化~和微观组织控制！4-等方法，常用的合金化元素有V、Cr,Nb、 1995-04-20收稿第“作者男27岁硕士讲师

第 17 卷第 6期北京科技大学学报 l姚年 1 2月 JO urn a l o f U in v e rs ity o f S d en ec a n d eT hc n o l o gy eB ij i n g V汉 . 1 7 N o . 6 】) 犯 . 1 1廷巧 T l , Al一 Y三元系相图 1OO o0C 部分等温截面重新确定杨志尚 , ) 任立斌 2) 章复中 ’ ) 周荣章 , ) 余宗森门) l) 北京科技大学冶金系 , 北京 l〕旧8 3 2) 北京联合大学轻工建材学院摘要利用扩散偶局部平衡原理 , 通过金相观察和电子探针微区成分分析 , 重新测定了 1以X) ℃ 下 iT 一 lA 一 Y 三元系部分等温截面相图 . 首次发现该系在 1( D ) ℃ 存在两个三元化合物均相区 Y《A l瓜 1一小 x( 一 80 % 一 1田% ) 和矶《A LT i 】一二 l x( = 80 % 一 10 % ) . 改变了以前发表的关于iT 一 lA 一 Y 三元相图 1J X) ℃ 等温截面的研究结果 . 此外在所测部分等温截面相图中存在 6 个单相区、 9 个两相平衡区、 4 个三相平衡区 . 1。 1) ℃ 下 Y 在 T闪和 T 沙U : 相中存在 1 个固溶区 , 其最大固溶度分别为 (原子 ) 1 . 25 % 和 4 . 20 % ;Y 在 iT 3 IA 和 T IA I : 相中固溶度很小 , 均小于 (原子 ) 0 . 1% . 关键词相图 / 钦一铝一忆合金 , Y (lA 、 iT ! 一决 , Y 3 (A】 x iT l 一上中图分类号 T G l l3 . 14 R e 一 L 比te r l l l i n a ti o n o f 10 0 0 ℃ P a rt i a l I s o t h e n 刀a l S e ct i o n o f t h e T i 一 lA 一 Y eT ru a ry S ys te m aY n a Z h is h a n a , ) R en L ib u n ’ ) 乃 a n g ur : h o n护 z h ou R o n 犷 h a n 夕, , Yu Z o n那en ,’ l) 2 ) 0 Il a ge o f M e alt l u gr y , eD P a rt ~ t o t 一 M o f L igh t I n d u 乃 t尽 U S T B , B iej , n g l }D )83 , P R C & B 山ld i n g M a t e n a l s , B吻i n g U rn o n Iin ve 巧i t y A B S T R A C T hT e l 0() 0 ℃ P a rt i a l is o t h e 厂n飞互1 5呱i o n o f T i一 iA 一 Y te m a ry Ph a s e d i a g ra m h as h 沈n re 一 d e te 阴 n ed b y us i n g d iif is i o n co u P l e , el eCt or n inr cor P or be a n a l ys is a n d n r 扭 lo g ar P h y . hT e h o mo g en it y ar n g es o f two et m a 卿 co m P o u n ds Y (lA 厂1 1 一 J : a n d Y 3 (月厂1 1一 J Z ( x = 80 % 一 l 0() % ) a t 10() 0 ℃ h a v e 卜泥 11 d 污co ve edr . S ix s i n g l e Ph as e egr i o ns 、 n i n e ot w Ph ase egr in ns a n d fo u r t h er P h a s e egr i o n s h a ve 卜沈 n d e et imr n ed i n t h e s t u d ied P a rt ia l is o ht e na l s eCt i o n . hT e ma x . s o lid s o l u b il it ies o f Y i n T IAI a n d T I1A 2 we er fo u n d ot be l · 2 5% (a ot m) a n d 4 . 2 0 % (a ot m ) 渭 p eCt i v e ly . H o vwe r , th o s e i n T i 3 AI a n d T IA 1 3 we er fo u n d ot be 1 0 俄 r 0 . 1% ( a t o m ) . K E Y w O R那 p h a s e d i a g ar nsr 厂i 一 lA 一 Y a l o y s , Y (A I 、 T , 1一 J Z , Y 3 (lA 二 T i , J Z T IIA 金属间化合物以其低比重 , 高熔点 , 高弹性模量及良好的抗氧化性能而作为潜在的高温结构材料 , 引起了材料科学工作者的普遍关注 . 然而 , 由于低室温塑性和差的高温加工性能限制了它的实际应用 . 最近 10 多年世界各国已进行了大量的改善下iT 月室温塑性的研究 , 主要通过合金化 1 一习和微观组织控制 ( 4 一司等方法 . 常用的合金化元素有 V 、 C r 、 N b 、 1卯5 一以一 20 收稿第一作者男 27 岁硕士讲师 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1995. 06. 003

Vol.17 No.6 杨志尚等：T-A1-Y三元系相图1000℃部分等温截面重新确定 513. Mn,Zr,Mo、W等2 有关稀土元素对TA1合金影响的研究，目前国内外尚未见报导.稀土元素作为钢的脱氧、去硫及改变硫化物形态的添加剂，已广泛应用于炼钢生产以改善许多脆性或低塑性钢或合金的塑性和韧性.本研究受稀土元素在钢中作用的启发，将稀土元素Y作为合金化元素加人TiA1合金中.我们的工作表明：Y(原子)添加量低于0.1%时，可提高TiA1(1:I)合金的抗弯强度和挠度，添加量超过0.1%时出现三元化合物相，合金塑性下降.但已发表的Y-T一A1相图并没有发现存在稀土三元化合物.因此本工作用扩散偶方法，重新测定了T-A1-Y三元系相图10O0℃部份等温截面以确定TA1合金添加Y以后的相组成及相关系，为优化合金设计和热处理工艺提供理论依据. 1实验过程 1.1合金的熔炼制作了4个固一固一固和2个固一液一固三元扩散偶，各扩散偶组合方式见表【.制作扩散偶的金属Ti、TiA1,和Ti,A!用水冷铜坩锅钨极非自耗真空电孤炉在氩气保护下进行熔炼.为保证熔炼合金成分均匀，反复熔炼3次.每个合金锭重约35g,熔炼后质量损失小于0.1g 表明所熔炼的合金成分基本等于设计成分，制作扩散偶的各种原材料为：高纯海绵钛 (>99.8%)、高纯铝(99.99%)、金属钇锭(>99.8%). 12扩散偶的制作用线切割机将试样切成如表1图中所示尺寸（其中柱形圆孔用硬质合金钻头钻成）.然后将扩散偶中各接触面用1000#砂纸磨平，用无水乙醇清洗各接触面，再将扩散偶各组元按图示组合，用钼夹具夹紧，放入石英管中进行预焊，预焊温度为900℃，时间为1h.预焊时石英管充高纯Ar气至I0kPa,目的在于防止铝在高温下蒸发（铝在900℃时理论蒸汽压为 34Pa).将预焊后的扩散偶封入石英管（真空度为10Pa),在1000℃下平衡处理150h, 水淬. 表1扩散偶组合方式 TiAl,-Y-Ti Al TiAl,-Y-Ti,Al Y-Al-Ti Al 扩散偶名称 TiAl,-Y-Ti TiAl-Y-Ti Y-AI-Ti TAL -10 -10 扩散偶组合试及尺寸 /mm 13金相观察和电子探针成分分析将平衡处理后的扩散偶沿表图中所示虚线切开，用1000炉金相砂纸磨平并抛光.用

Vo l . 17 No . 6 杨志尚等 : Ti 一 Al 一 Y 三元系相图 l以洲)℃ 部分等温截面重新确定 M n 、 Z r 、 M o 、 w 等么[习 . 有关稀土元素对 TI AI 合金影响的研究 , 目前国内外尚未见报导 . 稀土元素作为钢的脱氧、去硫及改变硫化物形态的添加剂 , 已广泛应用于炼钢生产以改善许多脆性或低塑性钢或合金的塑性和韧性 . 本研究受稀土元素在钢中作用的启发 , 将稀土元素 Y 作为合金化元素加入 IT iA 合金中 . 我们的工作表明: Y (原子 )添加量低于 0 . 1% 时 , 可提高 IT iA (:l ) 合金的抗弯强度和挠度 , 添加量超过 0 . 1% 时出现三元化合物相 , 合金塑性下降 . 但已发表的 Y 一 iT 一 lA 相图并没有发现存在稀土三元化合物闭 . 因此本工作用扩散偶方法 , 重新测定了 iT 一 lA 一 Y 三元系相图 10 0() ℃ 部份等温截面以确定 IT iA 合金添加 Y 以后的相组成及相关系 , 为优化合金设计和热处理工艺提供理论依据 . 实验过程合金的熔炼制作了 4 个固一固一固和 2个固一液一固三元扩散偶 , 各扩散偶组合方式见表 1 . 制作扩散偶的金属 iT 、 T闪 3 和 iT 3 川用水冷铜塔锅钨极非自耗真空电弧炉在氢气保护下进行熔炼 . 为保证熔炼合金成分均匀 , 反复熔炼 3 次 . 每个合金锭重约 35 9 , 熔炼后质量损失小于 0 . 19 , 表明所熔炼的合金成分基本等于设计成分 . 制作扩散偶的各种原材料为 : 高纯海绵钦 ( > 9 9 . 8 0/乞) 、高纯铝 ( 9 9 . 9 9 % ) 、金属忆锭 ( > 9 9 . 8 % ) . 12 扩散偶的制作用线切割机将试样切成如表 1 图中所示尺寸 (其中柱形圆孔用硬质合金钻头钻成 ) . 然后将扩散偶中各接触面用 1以洲〕# 砂纸磨平 , 用无水乙醇清洗各接触面 , 再将扩散偶各组元按图示组合 , 用钥夹具夹紧 , 放入石英管中进行预焊 , 预焊温度为 90() ℃ , 时间为 hl . 预焊时石英管充高纯 iA 气至 10 k P a , 目的在于防止铝在高温下蒸发 ( 铝在 9X() ℃ 时理论蒸汽压为 34 P a) . 将预焊后的扩散偶封人石英管 ( 真空度为 10 一 ’ aP ) , 在 1以洲〕 ℃ 下平衡处理 1 50 h, 水淬 . 表 1 扩散偶组合方式扩散偶名称 T囚厂 Y 一 iT 3 IA T闪飞一 Y一 iT T I A! T IA} 3 一 Y 一 iT 3 IA T闪 3 一 Y一 iT Y 一 lA 一 iT 3 IA Y一月一 T i 扩散偶组合方式及尺寸 / n l l l l {上l J 、兴一 : 一州 ……剐} { 七沪气月 _ _口} 卜州 , , 卜论万 ) 加一 ` “ 、 , 耳 13 金相观察和电子探针成分分析将平衡处理后的扩散偶沿表 1 · 图中所示虚线切开 , 用 10 0 0 # 金相砂纸磨平并抛光 . 用

Vo l . 17 No . 6 杨志尚等 : Ti 一 Al 一 Y 三元系相图 l 以洲) ℃ 部分等温截面重新确定 M n 、 Z r 、 M o 、 w 等[么习 . 有关稀土元素对 TI AI 合金影响的研究 , 目前国内外尚未见报导 . 稀土元素作为钢的脱氧、去硫及改变硫化物形态的添加剂 , 已广泛应用于炼钢生产以改善许多脆性或低塑性钢或合金的塑性和韧性 . 本研究受稀土元素在钢中作用的启发 , 将稀土元素 Y 作为合金化元素加入 IT iA 合金中 . 我们的工作表明: Y (原子 )添加量低于 0 . 1% 时 , 可提高 IT iA (:l ) 合金的抗弯强度和挠度 , 添加量超过 0 . 1% 时出现三元化合物相 , 合金塑性下降 . 但已发表的 Y 一 iT 一 lA 相图并没有发现存在稀土三元化合物闭 . 因此本工作用扩散偶方法 , 重新测定了 iT 一 lA 一 Y 三元系相图 10 0() ℃ 部份等温截面以确定 IT iA 合金添加 Y 以后的相组成及相关系 , 为优化合金设计和热处理工艺提供理论依据 . 实验过程合金的熔炼制作了 4 个固一固一固和 2个固一液一固三元扩散偶 , 各扩散偶组合方式见表 1 . 制作扩散偶的金属 iT 、 T闪 3 和 iT 3 川用水冷铜塔锅钨极非自耗真空电弧炉在氢气保护下进行熔炼 . 为保证熔炼合金成分均匀 , 反复熔炼 3 次 . 每个合金锭重约 35 9 , 熔炼后质量损失小于 0 . 19 , 表明所熔炼的合金成分基本等于设计成分 . 制作扩散偶的各种原材料为 : 高纯海绵钦 ( > 9 9 . 8 0/乞) 、高纯铝 ( 9 9 . 9 9 % ) 、金属忆锭 ( > 9 9 . 8 % ) . 12 扩散偶的制作用线切割机将试样切成如表 1 图中所示尺寸 (其中柱形圆孔用硬质合金钻头钻成 ) . 然后将扩散偶中各接触面用 1以洲〕# 砂纸磨平 , 用无水乙醇清洗各接触面 , 再将扩散偶各组元按图示组合 , 用钥夹具夹紧 , 放入石英管中进行预焊 , 预焊温度为 90() ℃ , 时间为 hl . 预焊时石英管充高纯 iA 气至 10 k P a , 目的在于防止铝在高温下蒸发 ( 铝在 9X() ℃ 时理论蒸汽压为 34 P a) . 将预焊后的扩散偶封人石英管 ( 真空度为 10 一 ’ aP ) , 在 1以洲〕 ℃ 下平衡处理 1 50 h, 水淬 . 表 1 扩散偶组合方式扩散偶名称 T囚厂 Y 一 iT 3 IA T闪飞一 Y一 iT T I A! T IA} 3 一 Y 一 iT 3 IA T闪 3 一 Y一 iT Y 一 lA 一 iT 3 IA Y一月一 T i 扩散偶组合方式及尺寸 / n l l l l {上l J 、兴一 : 一州 ……剐} { 七沪气月 _ _口} 卜州 , , 卜论万 ) 加一 ` “ 、 , 耳 13 金相观察和电子探针成分分析将平衡处理后的扩散偶沿表 1 · 图中所示虚线切开 , 用 10 0 0 # 金相砂纸磨平并抛光 . 用

V b l . 1 b 7 N . 杨志尚等 3 : 一一三元系相图〕 ℃ 部分等温截面重新确定 1 ( i n Y A l T 从图中可看到 2 : 各相内成分变化是连续的 , 而在两相的相界处成分均有突变 . 这样就可确定出在该扩散方向存在的两平衡相及其相边界处的成分 . 依此类推 , 沿不同扩散偶的不同扩散方向 , 可确定其它平衡相相边界处的成分及两相平衡的共扼线 . 由所测两相平衡成分的部分结果可画出 iT 一 lA 一 Y 三元系 1仪旧 ℃ 部分等温截面相图 (如图 3) . lA /% 图 3 肠一 lA 一 Y 三元系 1仪月) ℃ 部分等温截面相图从所测的部分等温截面中可看到 : ( l) 共存在 6个单相区 , 分别为 : 2 汀1 3 月 ) 、下仃iAI ) 、。仍1A 2 ) 、叮汀i1A 3 ) 、 Y (A l x T i l 一 J Z 汀 , ) 、 Y 3 (月 x T i l 一 J Z 民 ) (x = 80 % 一 l X() % ) ; 其中 T . 和毛二相为新发现的稀土三元化合物 . 根据以前对稀土金属间化合物的研究 l民 9 } , 稀土元素不可能与 W B 、 V B 、 VI B 族元素形成化合物 , 故不存在钦与忆的金属间化合物 . 但从所发现的新的稀土三元化合物成分看 , 钦原子能占据 Y A I : 和 Y 3 月 2 化合物中部分铝原子的位置 , 因此进一步研究它们的结构及其对 iT 川合金的影响很有必要 . (2 ) 共测得 9 个两相平衡区 , 分别为 “ 2 + : 、 : 2 + T Z 、 : 2 + T I 、 : + 。、 : + T , 、 : + 。、。 + T , 、 T Z + T , . ( 3 ) 根据所测平衡成分并结合 T i一 iA 、 T i一 Y 、 lA 一 Y 二元相图 , 可确定出 4 个三相区 , 分别为 : 2 + T Z + T , 、 : 2 + 下+ T , 、 y + 。十 T , 、粉十。 + T , . ’() l (X旧 ℃ 下 Y 在 IT IA 、 iT 月: 有 1个可测的固溶区 , 其最大固溶度分别为 ( 原子 ) 1 . 25 % 和 .4 20 % ; 而 l (X旧 ℃ 下 Y 在 iT 。 lA 和 IT AI , 中固溶度很小 . 均小于 0 . 1%

· 51 6 . 北京科技大学学报 1卯 5 年 N〔〕 . 6 3 结论 ( l) 在重新测定的 Ti 一 Al 一 Y 三元系 10 0 ℃ 部分等温截面中 , 发现有 Y (lA 二 iT l _ J Z 和叽 (lA , iT l 一 J Z 两个稀土三元金属间化合物均相区 x( = 80 % 一 10 % ) . 它们的发现及它们与其他相的相平衡关系全面改变了以前已发表的 Y 一 iT 一 lA 相图l8[ 的研究结果 . (z) 在研究的成分范围内共测得 9 个两相平衡区 , 分别为 : 2 + 7 、 : 2 十 T Z 、 : 2 “ 了 , 、下十: 、 7 + T , 、 “ + 叮、叮 + T , 、 T Z + T , 和 6 个单相区 . 确定出 4个三相平衡区 , 分别为二 2 + T Z + T . 、 “ 2 + 7 + T I 、下+ ￡ + T I 、叮 + ￡ + T 1 . (3 ) l仪旧 ℃ 下 Y 在 T 闪、 IT 1A 2 有 1 个可以测出的固溶度范围 , 其最大固溶度分别为 ( 原子 ) 1 . 25 % 和 .4 20 % ; 而 l仪旧 ℃ 下 Y 在 iT 3 AI 和 T闪 3 中固溶度很小 , 均小于 0 . 1% . 参考文献 1 Y a lan g u c h i M . 场hg T e m ep ar tu 比 I n t e n T 巴at lj “ 一 iw ht R 叭i c d巨r E m P l笼巧 is on T闪 . M a et 比出反北 n优 a n d T ec hi l o fo gy , l卯2 ( 8) : 2卯 2 桥本健纪 , 土肥春夫 , 笠原和男等 . E 伍戈朽 of 1 l l j记 E l e此 n ts on hte s t L以口 re of T 珍u 一 h 洲月月b 终日本金属学会志 , 198 8 , 52( l l ) : 8 16 3 K 吐n L此 M , H as h in ℃ot K , M o ir ka 从敬 H . S udt y on P l l ;淤 S at b i】i ty in iT 一 lA 一 X S声t e n 招 at H ihg 及m pe ar tu n ` . M at e iar ls S 北n ce a n d E n ign e inr g , 1卯 2 , 1A :52 又 4 H as hin 刃 ot K . E l玉无st of AdL diit o nal E h 曲m st on M ec ha ha 习 P or pe rt KS of T 分U 一佳 ,义八』。邓 . J PJ n Isn t M e t , 19 8 8 , 52 : 1 1 5 9 5 H t la 幻 g S C . U S h t e n t N b . 4 879 的2 , N Y , 19 89 6 免半 r H art l g J , I k ir t。万 C . M K 欲粥 t n r t切 re of T i t a in u m 一 lA tu 钊面d巴日让r 卫祀n l 卫〕 ~ 恤山以 I T盼tn℃ n t 玩二 oJ h n s o n L Ade . 肠乡1 一 T 匕n pe I’a t峨 O dl e 代沮功忱 n T 七扭山c A』o 声 VI . 1卯 1 . 1 5 7 7 贾厚生 , 孙丽红 . Y 一 iT 一 lA 三元系相图 1《X刃 ℃ 等温截面测定 . 中国稀土学报 , 19 85 , 义:2) 的 8 l a l ld e lj A . e ta l . , C哪atl G 比rI 山抑 of nI te n l 七 at lj c co m P 0 u n deS . H a n d b汉〕k on 此 hP ” 心 & O 屺几山try of R a re F巨rt l l , 1979 , 双1 3) : 53 9 2 比田 9 F IJz l洲〕 ng · J 卜e M a in T yF 昭 of p ha 义 D i a g 肚璐 fo r 此 R aer 一份而一 X S” 玄e “ ` a nd 旧阮l r 0 讹la it o n iw ht the eP icr 劝e l ’a b】e . J l上s 一〔b m mo n M e t . 198 6 . 126 : 12 1