TZM 钼合金研究现状及强化机理

罗 刚

（南昌航空大学，江西 南昌 330063）

1 钼和TZM钼合金的介绍

1.1 钼

金属元素钼的元素符号：Mo，它的英文名称为：Molybdenum，钼的原子序数为42，密度、熔点、沸点分别为：10.2g/cm³、2610℃、沸点为5560℃，常被作为高温金属而应用于生产工作中。表1 与表2 是钼的一些属性性能参数。

表1 钼的主要物理性能

表2 钼的室温力学性质

钼作为一种常用的高温金属，最早被发现是在1778 年，因其具有强度大、硬度高、熔点高等特点而被化学工业、冶金工业、金属加工工业、航空及核能技术等众多领域被广泛应用，是为数不多的较具战略意义的稀有金属之一[1]。但同时，纯钼也因为其在大于等于1000℃的使用环境中，反复出现结晶这一现象，钼合金材料容易出现脆化，耐拉伸强度会有所降低，由于这一缺陷的存在，导致钼合金在工业中的应用较少[2]。

1.2 TZM 钼合金

由于金属钼的性能缺陷使得金属钼无法在实际的工业生产中进一步得到应用，TZM 钼合金应运而生。

世界各国无数著名学者在改善金属钼性能的道路上进行了成千上万次的研究尝试，至今为止最为有效的做法是利用固溶强化的机理对铝金属进行合金化，将各种微量元素掺杂在纯钼金属中，使得到的钼基合金不仅具有钼金属本身的优良性质，而且强度大大增强，从而实现弥补钼金属缺陷，提高材料性能的愿景[3-5]。表3 是TZM 钼合金的主要成分及含量表。

表3 TZM 钼合金的成分

2 TZM钼合金的研究现状

2.1 国外对钼合金的研究

欧美发达国家对钼及钼合金相关研究涉及较早，对于钼合金的相关研究处于领先水平。例如，T.Mrotzek 等人研究TZM钼合金在进行热轧强化后合金性能发生了何种变化[6]。得出了TZM 钼合金的亚晶粒会使得TZM 合金的活化能增高，从而提升合金再结晶温度，美国的Cleveland 和HC.Starck 公司通过采用电弧熔炼法成功制备了Mo-0.5Ti-0.008Zr 和Mo-0.5Ti-0.1Zr 这两种合金，并且能使其氧含量控制在0.002%以下，硅的含量也可以控制在10mg/kg 以下。这些研究都为欧美钼合金的研究和发展产生了重大影响。

2.2 国内钼合金研究现状

我国地大物博，占有世界总储量三分之一的钼资源。我国的钼资源主要集中分布在河南、吉林、山东、辽宁、山西五省。在以上这几个省份中陕西省对于钼合金生产是最早的，目前已经成为了我国钼金属最大的生产地，并与河南的栾川钼业和辽宁的葫芦岛钼业成为全国前三钼业生产基地。

虽然我国钼资源丰富，但是对钼合金研究的起步晚于欧美，尚有很多方面还处于试验阶段，例如中南大学的卢明园等人[7]，主要研究Mo-Ti-TiC 合金，这种合金TiC 的含量在0.05～0.25wt.%及2～12wt.%之间，在室温及800℃下，通过对不同成分合金的显微组织形貌进行分析对比，以及不同成分的合金的拉伸性能测试，得出了微量TiC 的添加可以使合金的强度得到提升，其中，使合金得到较好力学性能的TiC 的含量，以及使合金的强度提高幅度最大的TiC 的添加量分别为2～12wt.%和0.05wt.%。；使合金在室温和800℃的拉伸的强度达到了最高的TiC 含量的值为4wt.%。

另外还有上海大学的孙远、王妍等人[8]，以及河南科技大学的杨松涛、李继文等人[9]，分别通过对TZM 合金（Ti-0.39wt.%、Zr-0.093wt.%、C-0.017wt.%）在1100℃-1600℃六个不同温度下进行退火处理后的试样再结晶行为和纯钼板的高温变形行为进行了系统研究，分别得到了不错的研究成果。

国内钼产品科研单位有中南大学粉末冶金国家重点实验室、北京有色冶金设计研究总院、天津硬质合金研究所、西北有色金属研究院、长沙有色冶金设计研究院、西安交通大学材料学院、洛阳有色金属加工设计研究院、安徽冶金科研所、北京工业大学。国内利用粉末冶金法来制备最大直径为p40mm 的棒材以及大型的TZM 合金板材已经在上海钢铁研究所和北京钢铁研究总院的共同努力下获得成功；由宝钛集团生产的TZM 板材和棒材生产也已经初具规模，而且在用户当中收到了不俗的反应[10]。

3 TZM钼合金的强化机理

让钼金属获得更高的强度、塑性、耐热性、耐腐蚀性以及高温抗氧化性等优良性质是钼金属合金化的目的。当下广泛使用于世界范围内的主要强化手段有：固溶强化、弥散强化、形变强化以及细晶强化[11]。

3.1 固溶强化

固溶强化是指固溶体的强度硬度随溶质原子含量的增加而升高，固溶体的塑性韧性随溶质原子含量的增加而下降的现象。TZM 钼合金的固溶强化机理主要是由钼基体里溶解少量的钛、锆、碳等元素，使钼的晶格发生畸变。

固溶强化的一般规律为：①溶剂原子和溶质原子的尺寸差越是大，强化的效果也越是显著；②质量分数越大的合金元素，在固溶体的溶解度范围内的强化作用就越大；③溶剂原子和溶质原子的价的电子数差越大，那么强化作用就越大；④能形成间隙固溶体的溶质元素的固溶强化作用大于会形成置换固溶体的元素。

经过对比发现，尺寸差别因子最大的是锆元素和钼元素的，因而锆对钼的固溶强化效果要比钛元素好。而碳元素和钼元素的尺寸因子虽然也相差很大，但是因为碳元素在钼元素中的溶解度特别小，而且碳还会发生还原反应，因此TZM 钼合金的固溶强化是以Mo-Ti、Mo-Zr 固溶体强化为主的[12]。

3.2 弥散强化

通过在均匀的材料中掺入硬质颗粒从而达到材料强化目的的强化手段叫做弥散强化。

在TZM 钼合金中，多种金属元素发生反应形成了ZrC 和TiC，此时，合金中出现部分ZrO 质点[13]，钼合金出现变化过程中，会产生错位移动状况，因此，会对合金产生弥散强化的效果。

3.3 形变强化

形变强化顾名思义就是使目标产生形变，进而使目标得到强化的手段。经过多次较为详实的试验，得到了如下TZM 钼合金发生变形前后的试验相关数据。从试验数据中我们可以推断出，在常温环境下或者高温环境下，TZM 钼合金施加强化变形后，其拉伸强度都得到了明显的提高。

表4 TZM 钼合金形变强化前后的拉伸强度

TZM 钼合金棒材制备过程中，常用的变形强化方法为热挤压法。完成挤压后，钼合金在垂直挤压方向和挤压方向的性能发生变化。主要由于钼合金在挤压过程中，非轴向和强制性的应力加剧了合金组织的形变。所以，钼合金在挤压方向的垂直方向上呈现出脆性，沿着挤压轴方向则表现出延性[14]。

3.4 细晶强化

细晶强化指的是通过对晶粒粒度大小的细化来使金属的强度得到提高，因为金属通常都是由许多的晶粒组成的多晶体，而晶粒的大小能用单位体积内晶粒的数目来表示，晶粒数目越多，则晶粒越细。

晶粒细化之后，一是可以使晶界增多，从而使位错滑移的行程变短，让变形更加的均匀；另外还可以使单位体积内的晶界面积得到增大，在杂质的总浓度不变的条件下，降低晶界杂质浓度，从而使合金获得更加良好的特性和性能[15]。

4 结语

TZM 钼合金相较于纯钼具有更好的高温强度和更好的室温塑性，因此比纯钼的应用要更加的广泛，TZM 钼合金在以前和现在的社会发展和科技进步中都发挥了极为重要的作用，尤其是在航天和军事工程领域中的应用是其他金属所难以取代的，例如火箭喷嘴、装甲车引擎、喷管喉衬、燃气管道等。随着现代工业的高速发展，未来的生产工艺肯定会对钼合金的性能提出更加高苛的要求，但我们可以预见，随着TZM 钼合金的继续研究开发，以及钼合金新工艺的出现，TZM 钼合金的研究和发展一定会更加的成熟完善，为未来世界范围内的生产生活做出更大的贡献。而更加深入的了解和分析TZM 钼合金强化机理，正是这一切美好未来的前提和基础，具有十分重要的意义，也是无数科技工作者的迫切要求。