稀土元素对钛合金蠕变性能影响规律综述

钛合金因其所具有的高比强度和耐腐蚀等优异性能而在航空航天、舰船及石油化工等领域得到广泛应用.蠕变性能是其在高温条件下使用的一项重要指标，添加稀土元素被认为是改善钛合金高温蠕变性能行之有效的方法之一.首先介绍了稀土元素在钛合金中的应用概况，总结了稀土对钛合金综合力学性能的影响.重点分析了Nd、Y、Gd、Er、La等稀土元素的含量、添加形式及制备方法等对钛合金蠕变性能的影响规律，总结了稀土元素影响钛合金蠕变性能的微观机理.提出通过研究稀土Sc对钛合金中硅化物析出过程及其分布的影响规律，进而阐明其抗蠕变机理，提高合金蠕变性能，为设计具有更加优异性能的钛合金材料提供基础理论支撑，是稀土改性钛合金的研究方向之一.      

550℃用高温钛合金的研发

应高推比航空发动机的需求,英国、美国、俄罗斯、中国等对高温钛合金进行了大量的研究工作。世界各国研发的550℃用高温钛合金主要有IMI829、Ti-6242S、BT25、BT25Y、Ti-55、Ti-53311S和Ti-633G合金等。简述了这几种合金的合金化特点,介绍了合金化的各种元素在合金中所起的作用,重点阐述了Si元素对合金蠕变性能的影响;同时回顾了这几种钛合金的研发状况、室高温拉伸性能、应用状况,以及稀土元素对部分高温钛合金组织性能的影响等,并展望了其未来的发展趋势与重点研究方向。     

高温钛合金的发展和应用

本文介绍了国际上高温钛合金的发展和研究现状,涉及的主要钛合金有:美国的Ti-64,Ti-6246,Ti-1100合金;英国的IMI系列钛合金;俄罗斯的BT8,BT9,BT18,BT36和我国自行研制的Ti-60,Ti-600合金等。讨论了这些合金的化学成分、主要特性及应用情况,总结了高温钛合金的发展方向和一般规律,得出结构:各国发展高温钛合金的方向基本一致,从合金体系来说,Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α钛合金在高温钛合金中占主导地位;Si元素几乎是高温钛合金中必不可少的重要元素;Nb,Y,Ce,Nd等稀土元素可提高合金的抗氧化性能,正得到越来越广泛的应用。     

600℃高温钛合金的研发

近年来,随着航空航天事业的发展,高温钛合金的研究与应用受到了越来越多的关注。目前,各国研发的600℃高温钛合金主要有IMI834、Ti-1100、BT36、BT18Y、Ti60和Ti-600合金等,其中,前4种已获得工业应用。首先概述了600℃高温钛合金的合金化特点,指出未来高温钛合金仍将向着成分多元化方向发展,稀土元素的应用是研究重点方向之一。接下来对几种典型的高温钛合金的性能特点、室高温力学性能进行了重点介绍,最后展望了其未来重点发展的方向。     

氢对钛合金组织及加工性能的影响

分析了氢对钛合金作用的两重性。一方面,氢引起钛合金氢脆、应力腐蚀及延迟断裂等危害;另一方面,采用热氢处理技术降低钛合金的高温流变应力,改善钛合金的热塑性。热氢处理技术是改善钛合金加工性能的一种有效的新方法,可以细化晶粒,改变相结构,改善钛合金的加工性能。归纳了热氢处理技术在钛合金加工、焊接及铸造中的应用。     

稀土元素Ce对P92耐热钢高温氧化行为的影响

采用增重法研究了稀土元素Ce对P92铁素体型耐热钢在750℃高温空气中高温氧化行为的影响。在P92母料的基础上适当添加稀土元素Ce,通过扫描电子显微镜(SEM)、X光电子能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱等检测仪器,分别测试了P92铁素体型耐热钢横截面及表面氧化物的结构、组成和氧化物的特征形貌,以研究稀土元素Ce的添加对P92材料高温抗氧化性能的影响。试验结果表明,P92钢中加入适量的稀土元素Ce可降低该钢的氧化增重,提高该钢的高温抗氧化性能。     

铈含量对NiAl-28Cr-5.5Mo-0.5Hf共晶合金氧化性能的影响

研究了不同稀土元素Ce含量对NiAl-28Cr-5.5Mo-0.5Hf合金在1100℃空气中的氧化行为的影响.结果表明:适量稀土元素Ce的添加显著地提高了基体合金的抗高温氧化性能,而过量添加稀土元素则会恶化基体合金的高温氧化性能.X射线结构与SEM分析表明:基体合金表而氧化膜主要由α-Al2O3构成,并含有少量的Cr2O3和HfO2,而当稀土元素添加量达到0.5%(质量分数),氧化膜中出现富稀土Ce的氧化物.采用EDAX分析研究了合金表面氧化产物的微观组织及成分,并从合金相组成探讨了稀土元素Ce提高基体NiAl-28Cr-5.5Mo-0.5Hf合金的抗高温氧化性能的机制.     

钛合金铸锭表面加热保护及锻造润滑用玻璃涂层的研究现状与展望

玻璃涂层用作钛合金铸锭的高温保护涂层,可以同时解决铸锭加热过程中的高温氧化问题和锻造过程中的润滑问题,还能起到保温隔热的作用,从而降低钛合金铸锭的氧化消耗并避免锻造开裂。介绍了钛合金铸锭在加热和锻造过程中存在的问题,以及钛合金铸锭表面加热保护及锻造润滑用玻璃保护涂层的研究进展,包括涂层的设计原则、化学组成以及制备方法,简述了玻璃涂层的抗氧化和润滑机理以及涂层/基体的高温界面反应,并展望了钛合金铸锭表面加热保护及锻造润滑用涂层的发展方向。     

钛表面高温防护涂层研究进展

对高温钛合金及钛铝金属间化合物而言,施加合适的高温防护涂层是目前实现长时间有效高温防护的唯一选择。回顾了钛表面五大高温防护涂层体系的发展现状,即热扩散渗铝(硅)涂层、金属间化合物包覆涂层、氮化物陶瓷涂层、搪瓷涂层以及惰性氧化物陶瓷涂层,总结了这些涂层的高温防护机理、改性方法以及失效机制。现阶段,单一的高温防护涂层体系及其制备方法在钛合金实际应用中依然存在着较大的局限性,设计和发展具有优异综合性能的新型高温防护涂层并发展相应的高效制备方法,仍是高温钛合金防护领域亟待解决的问题。     

喷涂涂层对钛合金超塑性能的影响

通过采用在钛合金TC4(Ti-6Al-4V)表面喷涂锆英石粉料来获得保护层的办法，研究了锆英石陶瓷涂层对钛合金TC4在高温拉伸试验时超塑性成形的影响。结果表明，锆英石涂层减轻了钛合金表面的高温氧化程度，提高了钛合金TC4的超塑性性能。     

稀土在耐热镁合金中的应用

本文介绍了稀土对耐热镁合金发展的影响 ,概括了稀土耐热镁合金的发展历史及现状。初步讨论了稀土元素对镁合金耐热性能的影响机理。对稀土耐热镁合金的研制开发、应用前景进行了展望。     

新型锌基塑料模具合金的研制开发

通过合金成分的改变,添加钛、铬、硼、稀土变质元素,开发了新型锌基塑料模具合金,探讨了合金的金相组织、性能、耐蚀性及尺寸稳定性等。结果表明,变质元素可细化合金组织,新合金具有较好的综合机械性能,较高的软化温度(150℃以上),低的线收缩率(0.81%～0.90%),耐晶间腐蚀,尺寸变化约为0.0405%,用做注塑模的使用寿命在1.8万次以上。     

稀土La对粉末冶金钛合金组织和力学性能的影响

在Ti-Fe-Mo合金中以LaH2和LaB6两种形式引入稀土La,制备含La的粉末冶金钛合金,研究La的添加量对钛合金烧结行为以及组织与力学性能的影响,探讨合金中La的存在形式及其在烧结过程中的作用机理。结果表明,钛合金相对密度随LaH2添加量(质量分数)的增加而升高,当LaH2的添加量达到0.6%后,钛合金的相对密度不再发生明显变化;但随着LaB6添加量的增加先升高后降低,在LaB6添加量为0.15%时出现峰值。添加LaH2的钛合金中,稀土元素主要以La2O3颗粒的形式存在,随La含量增加,颗粒发生长大;而在添加LaB6的合金中,烧结反应产物主要是纤维状的TiB、具有规则外形的La2O3颗粒以及含Ti和O的富La絮状颗粒。随LaH2和LaB6的添加量增加,合金的室温抗拉强度和伸长率均先升高后降低。LaH2的添加量达到0.6%时出现强度峰值,添加量达到0.3%时出现伸长率的峰值;而LaB6的添加量达到0.15%时抗拉强度和伸长率均出现峰值。     

钛合金固相渗硼-稀土渗硼机理研究

表面强化处理可以大幅提升钛合金的耐磨性， 也有利于钛合金在高温环境中应用。 钛合金高温固相渗硼是 重要的表面强化方式， 添加稀土提高渗硼效率是重要技术手段。 为深入研究稀土的渗硼催化机制， 本文开展了 900~1050℃渗硼试验， 重点分析了渗硼剂在试验后的相组成变化。 结果表明， 稀土可通过与硼源、 氧发生化学反 应， 生成熔点较低的稀土硼酸盐。 本文对该硼酸盐发挥的作用进行了解释， 论述了稀土在渗硼反应过程中的作用。 经过渗硼的钛合金表面形成了 TiB/TiB2 双相渗层， 显微组织分析表明该渗层与基材结合紧密、 无孔洞缺陷。 本文 还对渗硼钛合金的拉伸性能、 表面摩擦系数、 维氏硬度、 高温洛氏硬度、 结合力等基础力学性能进行了测试， 结 果表明， 渗硼钛合金具有优良的综合力学性能。     

稀土在铝及铝合金中的作用

依据文献综合介绍了稀土对铝及铝合金的力学性能、热学性能、光学性能、电学性能、耐腐蚀性能和工艺性能的影响,探讨了稀土在铝及铝合金中净化、变质和合金化作用的微观机理,讨论了稀土铝合金发展中存在的问题。     

稀土Ce对锌电积用Pb-Ag-Ca-Sr四元合金阳极板性能的改进

Pb-Ag-Ca-Sr四元合金具有较好的力学性能、导电性能和耐腐蚀性能,但合金元素分布不均、性能不稳定、稀贵金属损耗大、制作成本高,制约其在湿法炼锌电积阳极的广泛应用。通过熔炼工艺向Pb-Ag-Ca-Sr四元合金中添加稀土Ce,然后进行轧制,分别考察稀土Ce对Pb-Ag-Ca-Sr四元合金显微组织、力学性能、导电性和耐腐蚀性能的影响。结果表明,添加质量分数为0.04%的稀土Ce后,Pb-Ag-Ca-Sr四元合金的晶粒明显得到细化,抗拉强度、屈服强度和电导率分别提高9%、23%和1.75%,耐腐蚀性能也得到明显提高,稀土Ce对Pb-Ag-Ca-Sr四元合金阳极材料综合性能提升作用强于轧制工艺。     

微量稀土元素Tb、La掺杂对Fe-Al合金结构和磁致伸缩性能的影响

为了研究微量稀土元素Tb和La掺杂对Fe81Al19合金结构和磁致伸缩性能的影响及影响机制,采用真空电弧熔炼法制备了Fe81Al19、Fe81Al19La0.1和Fe81Al19Tb0.1三种铸态合金。用X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜联合能谱仪(SEM/EDS)分析了合金的微结构。用振动样品磁强计(VSM)和磁致伸缩测量仪测试了合金的磁性能和磁致伸缩系数。结果表明,Fe81Al19合金由单一的bcc结构A2相组成,而掺杂稀土后的Fe81Al19Tb0.1和Fe81Al19La0.1合金均由bcc结构的A2主相和少量富稀土相组成。稀土Tb和La的掺杂使Fe81Al19合金沿<100>晶向择优取向,且Fe81Al19Tb0.1合金择优取向更加明显。此外,三种合金的磁化功大小排序为:Fe81Al19Tb0.1> Fe81Al19La0.1> Fe81Al19。表明稀土元素掺杂导致Fe-Al合金具有更大的磁晶各向异性,且Tb的掺杂效果更加明显。磁致伸缩系数测试表明,与Fe81Al19合金相比,稀土掺杂合金的磁致伸缩系数明显增大,而且Fe81Al19Tb0.1合金的磁致伸缩系数增大的更加明显,大约是Fe81Al19合金的3.2倍,为86×10^-6。稀土掺杂合金磁致伸缩系数增大的原因主要源于掺杂稀土使Fe-Al合金沿<100>晶向择优取向和稀土导致合金具有高磁晶各向异性。     

航空发动机阻燃钛合金力学性能预测及成分优化

采用支持向量机算法,在实验数据的基础上,建立航空发动机阻燃钛合金的合金化元素与力学性能关系模型,分析合金化元素对力学性能的影响规律。模型的输入参数为V、Al、Si和C元素,输出参数为室温拉伸性能（抗拉强度、屈服强度、延伸率和断面收缩率）。结果表明:各个力学性能支持向量机模型的线性相关系数均在0.975以上,具有较高的预测能力;各个力学性能测试样本实验值与模型预测值的绝对百分误差均在5%以内,具有良好的泛化能力,能够有效地反映出阻燃钛合金的合金化元素与力学性能之间的定量关系,进而实现对该合金的成分优化。对于Ti?35V?15Cr阻燃钛合金,可以通过加入质量分数为0～0.1%的Si元素和质量分数为0.05%～0.125%的C元素,并减少质量分数为2%～5%的V元素,来提高力学性能;对于Ti?25V?15Cr阻燃钛合金,可以通过加入质量分数为1.5%～1.8%的Al元素和质量分数为0.15%～0.2%的C元素,来提高力学性能。