Ta-10W合金的高温力学性能

1 前言

Ta-10W合金是一种高密度、高熔点、高强度的稀有金属合金材料，具有很高的高温强度、良好的延展性、可焊性和优良的耐腐蚀性能，适用于高温、高压、耐腐蚀等工作环境，是广泛应用的工程和功能材料。钨在钽中与钽形成替代式连续固溶体，钨对钽主要起到固溶强化作用，显著提高钽金属的力学性能。由于Ta-10W合金经常被用于高温环境中，其高温性能是备受关注的重要性能。本文重点介绍了Ta-10W 合金从1000℃~2000℃的高温力学性能，讨论了该合金的力学性能随温度变化的规律。

2 试验材料

试验用的Ta-10W合金棒材是经真空电子束2次熔炼的铸锭(铸锭尺寸φ97.5mm),经过热模锻加工至φ34mm左右，经过再结晶真空退火，冷加工至φ14 mm,再进行真空再结晶退火。棒材的化学成分见表1。

从产品上截取试样，试样总长度116 mm,标距40mm,测试断面直径φ5mm,试样是再结晶状态，金相组织见图1。本文通过对合金从1000℃~2000℃力学性能变化规律的分析，探讨了产生该变化规律的原因，并用SEM对各温度下的断口进行了观察分析。

3 试验结果

图2给出了退火态Ta-10W棒材的力学性能(抗拉强度og、屈服强度op02、弹性模量E₁、延伸率6s 和断面收缩率w)随温度变化的关系。抗拉强度从1000℃到1600℃时下降较快，1600℃到2000℃时下降速度减缓；屈服强度从1000℃到1600℃时下降速度比抗拉强度慢，基本呈线性。随着温度的上升，两条曲线愈来愈接近，也就是说材料的屈强比升高。弹性模量在1000℃到1600℃时基本呈线性下降，随后进入平台。

Ta-10W棒材的延伸率从1000℃到1200℃逐渐升高，随后进入平台，从1400℃开始延伸率又逐渐升高，到1600℃时到达最高点，随后逐渐下降，到1800℃时又进入平台。断面收缩率从1000℃到1200℃逐渐升高，随后进入平台，到1600℃时又逐渐升高，到1800 ℃达到最高点，随后又进入平台。延伸率和断面收缩率在1200℃时均出现了平台，但断面收缩率的平台持续到了1600℃,延伸率仅持续到1400℃。

图3是各温度下的试样断口SEM形貌，有如下特点：

①1000℃时是典型的等轴韧窝断裂，韧窝细小(图3 a)。

②1200℃时韧窝较1000℃时的增大、增深，说明材料塑性提高。韧窝底部有夹杂(见图3b)。

③1400℃时大韧窝周围布满稠密的小韧窝，可见到垂直于滑移方向的二次裂纹。有明显的晶界滑动的痕迹，还可见到沿晶断裂的形貌。此温度下的断裂较为复杂，应属于韧窝和沿晶的混合断裂(见图3c、3d)。

④1600℃时同时出现了两种不同的断口形貌，

种是普通韧窝，另一种是较为特殊的新韧窝，纵截面出现比较规则的锯齿状。在这种韧窝的底部存在二次裂纹。可能正是因为这两种不同韧窝的同时出现，才使得材料的延伸率在1600℃时达到了最高(见图3e)。

⑤1800℃又恢复为等轴韧窝断裂。韧窝更大更深，说明塑性更好，此时材料的断面收缩率达到最大。在韧窝底部发现夹杂(见图3f)。

⑥2000℃又出现了与1600℃下相同的新型韧窝，这次是这种新型韧窝单独存在。SEM分析韧窝的底部存在Al、O的夹杂。此时，断面收缩率没有下降，仍然处在最高的平台上，延伸率比1600℃时稍有下降，与1800℃处在同一平台上(见图3g,3h)。

4 讨论

在高温拉伸过程中，同时存在着加工硬化和动态回复或再结晶两个相反的过程。动态回复的作用是抵消加工硬化效应，但是如果进行缓慢，则在变形过程中储能会不断增加，当达到某一临界条件时就可以发生动态再结晶。这两种软化过程所产生的显微组织变化虽不相同，但都属于热激活过程，而且流变应力与温度及应变速率有密切的关系。在应变速率一定的条件下，变形温度起着决定性的作用。温度越高，动态再结晶的作用越大。在动态再结晶发生的同时存在着加工硬化现象，加工硬化产生的原因是动态应变时效的结果。动态应变时效是金属和合金在发生塑性变形时发生的时效过程。从本质上说，动态应变时效是溶质原子与位错发生交互作用的结果。在发生动态应变时效时，强化与塑性变形是同时进行的。溶质原子通过扩散追赶位错的运动，并与位错发生作用，使位错被钉扎。而溶质原子的扩散能力又是随温度的升高而增强的。材料的塑性和强度随温度的升高而变化的规律取决于动态再结晶和动态应变时效综合作用的结果。

在1000℃拉伸时，材料的动态再结晶与加工硬化造成的位错的增殖交互作用，随着温度的升高，

方面位错的交滑移变为位错的攀移，另一方面，温度的升高又进一步降低了晶界的强度，所以在1200℃和1400℃均出现了晶界滑动和沿晶断裂，温度的升高也启动了新的滑移系，使材料的塑性提高。到1600 ℃时，拉伸断口中双韧窝的出现进一步增大了材料的塑性变形，使材料的塑性得到进一步的提高。温度愈高，动态再结晶的作用愈大，材料的塑性愈好。断面收缩率随温度的提高而逐渐上升，说明Ta-10W合金随温度的升高发生塑性变形的区域扩大，从而使合金的塑性得到提高。在1600℃和2000℃时出现的新型韧窝，这种新型韧窝的塑性极好，从而使合金在1600 ℃的延伸率达到最高值，在1800℃断面收缩率达到最大值，并一直到2000℃均保持较高的塑性。形成这种韧窝的主要原因是韧窝底部存在高熔点的夹杂物，杂质成为裂纹源。这通过1800℃和2000℃下的SEM观察得到证实。

弹性模量是金属和合金对弹性变形的抗力指标，而屈服强度是金属和合金对塑性变形的抗力指标，二者均是材料变形抗力的体现，所以随着试验温度的提高，二者表现出相似的下降趋势。Ta-10W 合金随试验温度的升高，变形抗力下降较为缓慢，与该合金具有较高的溶质原子含量有关。较高的溶质原子含量导致合金进一步强化了动态应变时效的效果，从而增大了该合金的加工硬化率。另一方面，温度越高，动态再结晶的作用越大。由图4可以看出，随着温度的升高，抗拉强度与屈服强度越接近，材料的加工硬化增量逐渐减小，基本呈线性变化，这是动态再结晶作用随温度的提高而增大的明显佐证。动态应变时效与动态再结晶二者之间综合作用的结果，导致Ta-10W合金的屈服强度和弹性模量随温度的升高而缓慢下降。

5 结论

1)随着试验温度的升高，Ta-10W合金的抗拉强度、屈服强度和弹性模量均呈下降趋势，但抗拉强度的下降速度较快，而屈服强度和弹性模量下降速度明显趋缓；

2)随着试验温度的升高，Ta-10W合金的延伸率和断面收缩率稍有上升；

3)Ta-10W合金强度和塑性随温度升高而发生的变化规律，是动态再结晶与由于动态应变时效而产生的加工硬化二者之间综合作用的结果，且在高温，动态再结晶起着主导作用；

4)通过对Ta-10W合金的断裂机制的分析可以得出，随着试验温度的升高，高熔点物质的存在对合金的影响愈来愈大，动态再结晶的作用也愈来愈明显。

论文引用信息：

稀有金属材料与工程 35卷 增刊2 2006年8月

星尘科技生产的球形Ta-10W合金粉采用射频等离子体球化工艺制备，具有高纯低氧、球形度高、表面光滑、无卫星、粒度分布均匀、流动性能优良、松装密度和振实密度高等特点。

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