鄒黎明，毛新華，劉辛，蔡一湘

(廣東省科學(xué)院廣東省材料與加工研究所，廣州510650)

粉末粒度對(duì)熱壓Ti-6Al-4V合金微觀組織和力學(xué)性能的影響

鄒黎明，毛新華，劉辛，蔡一湘

(廣東省科學(xué)院廣東省材料與加工研究所，廣州510650)

以4種不同粒徑的球形Ti-6Al-4V粉末為原料，采用真空熱壓法進(jìn)行成形固結(jié)。利用X射線衍射儀(XRD)、金相顯微鏡、掃描電鏡、萬能材料試驗(yàn)機(jī)分別分析粉末Ti-6Al-4V合金的物相組成、微觀組織、斷口形貌以及力學(xué)性能，研究粉末粒度及其組成對(duì)燒結(jié)體微觀組織和力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明：熱壓燒結(jié)Ti-6Al-4V樣品致密度均可達(dá)到98%以上。不同粒度粉末燒結(jié)后的合金均為網(wǎng)籃排列層片狀組織。合金塑性主要受原始粉末粒度影響，隨原始粉末粒度增大，燒結(jié)樣品的晶粒尺寸增大，從而導(dǎo)致合金的塑性降低。粉末粗細(xì)搭配相比于原始粗粉，有助于提高合金的塑性，從而有效降低粉末鈦合金的成本。

鈦合金；熱壓；粒徑；力學(xué)性能；Ti-6Al-4V

鈦由于具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、生物相容性優(yōu)異等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)用等行業(yè)[1?2]。但傳統(tǒng)鈦及鈦合金加工工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，嚴(yán)重阻礙了鈦的進(jìn)一步市場(chǎng)應(yīng)用。粉末冶金作為一種近凈成形方法，可以降低生產(chǎn)成本，尤其適合于鈦這樣昂貴的材料，因此，目前鈦及鈦合金的粉末冶金技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)[3?5]。航空航天、生物醫(yī)用等高新技術(shù)行業(yè)對(duì)粉末鈦合金性能要求高，原材料一般需采用高品質(zhì)的球形鈦合金粉末。鈦由于具有加工硬化速率高的特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)模壓方法比較難以致密化。尤其是高品質(zhì)的球形鈦合金粉末更是難以致密化，一般需采用熱等靜壓進(jìn)行成形固結(jié)，成本非常高[6]。真空熱壓是將粉末充填入模具內(nèi)，抽真空后，再?gòu)膯屋S方向邊加壓邊加熱，使成形和燒結(jié)同時(shí)完成的一種快速燒結(jié)方法，很適合于鈦的粉末冶金成形和固結(jié)，相比熱等靜壓成本降低。從文獻(xiàn)報(bào)道來看，目前國(guó)內(nèi)外采用熱壓方法燒結(jié)球形鈦合金粉末的研究較少，尤其是不同粒徑的鈦合金粉末對(duì)其性能的影響暫未見到相關(guān)報(bào)道。粉末粒徑對(duì)粉末流動(dòng)性、松裝密度、顆粒表面接觸面積、粉末壓縮性等均有影響。此外，粒徑還影響燒結(jié)體的性能[7?9]。因此，研究鈦合金熱壓燒結(jié)過程中，粉末粒徑對(duì)燒結(jié)性能的影響具有重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)

原材料粉末為等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法(plasma rotating electrode process，PREP)制備的Ti-6Al-4V粉末，選用4種不同粒徑分布的原始粉末，粉末的粒徑分布、氧含量和形貌分別見表1和圖1。PREP法制備的鈦合金粉末具有較低的氧含量，適合于制備性能要求高的粉末鈦合金產(chǎn)品。為了考察粉末粒徑搭配對(duì)燒結(jié)性能的影響，將60%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的D粉末和40%的A粉末混合均勻得E試樣。在下文中，粉末燒結(jié)得到的樣品相應(yīng)稱為樣品A~E。由圖1可見：原始粉末為球形，基本無衛(wèi)星球，熱壓設(shè)備為錦州航星真空設(shè)備有限公司生產(chǎn)，模具采用直徑為40 mm的石墨模具，燒結(jié)壓力為30MPa。根據(jù)已有文獻(xiàn)[10]，燒結(jié)前在石墨模具內(nèi)壁均勻涂上BN潤(rùn)滑液，以防止燒結(jié)過程中的碳污染，燒結(jié)溫度選擇為1 100℃，保溫1 h。每次燒結(jié)使用50 g粉末，燒結(jié)后得到尺寸為d40 mm ×10 mm的樣品。

采用排水法測(cè)量燒結(jié)樣品的密度，相對(duì)密度為實(shí)際密度與理論密度之比。采用氮氧分析儀(TC600，LECO，USA)測(cè)量粉末和燒結(jié)樣品的氧含量；采用全自動(dòng)X射線衍射儀(D/MAX?RC，Rigaku，Japan)對(duì)燒結(jié)樣品進(jìn)行物相分析；將燒結(jié)樣品用10%的HF溶液腐蝕后，采用金相顯微鏡(DM15000M，Leica，German)觀察燒結(jié)樣品的微觀組織；將燒結(jié)樣品加工成條狀拉伸試樣，拉伸試樣標(biāo)距段尺寸為24 mm×3 mm× 1 mm，采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)(Teststar 810，MTS，USA)對(duì)燒結(jié)樣品進(jìn)行拉伸力學(xué)性能測(cè)試；采用掃描電鏡(S3400N，Hitachi，Japan)觀察粉末形貌和樣品拉伸斷口。

表1 五種粉末的粒徑分布及氧含量Table 1Particle size distribution and oxygen content of powders

圖1 PREP法制備Ti-6Al-4V粉末形貌Fig.1Micrographs of the Ti-6Al-4V alloy powders prepared by PREP method (a)PowderA;(b)Powder B;(c)Powder C;(d)Powder D

2 結(jié)果和討論

圖2所示為5種粉末熱壓燒結(jié)后的相對(duì)密度。從圖5可見，燒結(jié)樣品的致密度均達(dá)98%以上，這表明采用熱壓方法制備粉末鈦合金的致密化效果較好。當(dāng)粉末最粗時(shí)(D)，燒結(jié)樣品的密度最低；總體而言，細(xì)粉(A，B)燒結(jié)后的密度比粗粉(C，D)的大，這是因?yàn)榧?xì)粉表面活化能高，在壓力和溫度作用下，原子更易擴(kuò)散[11]。但樣品B的密度比A的大，說明不是粉末越細(xì)，其致密度越高。樣品E的相對(duì)密度位于樣品A和D之間。

圖2 5種燒結(jié)樣品的相對(duì)密度Fig.2 Relative density of sintered samples

圖3 所示為5種燒結(jié)樣品的XRD譜，這5種燒結(jié)樣品大部分為α-Ti相，其中有少量的β-Ti。圖4所示為5種燒結(jié)樣品的金相顯微組織，組織中基本見不到微孔，說明熱壓燒結(jié)接近致密化。程文祥等[12]采用熱等靜壓法成形固結(jié)氣霧化制備的鈦合金粉末時(shí)，發(fā)現(xiàn)有較多微孔存在。相比于氣霧化粉末，PREP法制備的鈦合金粉末空心粉較少。因此，在鈦合金粉末冶金成形固結(jié)中，與霧氣化法相比，采用PREP法制得的粉末能降低成品孔隙率。由圖4可見：這5種樣品均為等軸晶，晶粒內(nèi)都為典型的網(wǎng)籃排列層片狀組織，層片應(yīng)為α-Ti+β-Ti的混合組織[10]。其中層片具有不同的取向。這是因?yàn)棣?Ti晶胞的6個(gè)滑移面和2個(gè)滑移方向?yàn)棣料嗵峁┳疃?2個(gè)不同取向。當(dāng)熱壓結(jié)束，鈦合金從β相區(qū)溫度冷卻下來時(shí)，單個(gè)α相層片束按照不同取向關(guān)系形核并長(zhǎng)大，單個(gè)層片束內(nèi)的取向相同。大量的可能取向?qū)е聦悠娜∠蚨啻沃貜?fù)，結(jié)果形成這種有特色的顯微組織[13]。并且由圖4可見，隨原始粉末粒度增大，燒結(jié)樣品的晶粒尺寸相應(yīng)增加。A粉燒結(jié)樣品的晶粒尺寸一般在200μm以下，而D粉燒結(jié)樣品的晶粒尺寸則達(dá)到400~600μm。對(duì)于E粉燒結(jié)樣品，由于2種粉末混合，不同尺寸晶粒夾雜。其原因可能如下：1)粗粉和細(xì)粉的顯微組織不同。粗粉晶粒比細(xì)粉的大，這種原始粉末晶粒大小差異會(huì)相應(yīng)遺傳在燒結(jié)產(chǎn)品的晶粒中。2)粗粉和細(xì)粉的比表面積不同。粉末的回復(fù)和再結(jié)晶過程大多從顆粒邊界開始，細(xì)粉比表面積大，顆粒邊界多，促進(jìn)了再結(jié)晶形核[12,14]。

圖3 5種燒結(jié)樣品的XRD譜Fig.3XRD patterns of sintered samples (a)SampleA;(b)Sample B;(c)Sample C; (d)Sample D;(e)Sample E

圖4 5種燒結(jié)樣品的微觀組織Fig.4Microstructures of sintered samples (a)SampleA;(b)Sample B;(c)Sample C;(d) Sample D;(e)Sample E

圖5 5種燒結(jié)樣品室溫應(yīng)力?應(yīng)變曲線Fig.5Room-temperature engineering stress-strain curves of sintered samples

圖5所示為5種燒結(jié)樣品的拉伸應(yīng)力?應(yīng)變曲線，表2所列為其抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。由圖表可知，當(dāng)粉末粒徑大于100μm時(shí)，樣品強(qiáng)度變化不大(B，C，D)；但當(dāng)粉末粒徑減小為50~100μm時(shí)，樣品(A)的強(qiáng)度和塑性相比其它3種樣品(B，C，D)明顯增大。除樣品D外，其它樣品伸長(zhǎng)率均在10%以上。對(duì)于A，B，C和D這4種樣品，隨原始粉末粒度增加，伸長(zhǎng)率不斷減小。樣品E原始粉末為A和D的混合，其伸長(zhǎng)率位于樣品A和D的伸長(zhǎng)率之間，這說明粉末粒度越小，熱壓后樣品塑性越好。而在粗粉D中添加一定量的細(xì)粉A，可以大幅提高其強(qiáng)度和塑性。對(duì)于球形鈦合金粉末，由于粗粉D的價(jià)格比細(xì)粉A的價(jià)格便宜10倍以上，因此，采用粗細(xì)搭配的粉末可獲得與細(xì)粉接近的性能，從而大幅降低制品的成本，這在熱壓制備鈦合金粉末的實(shí)際應(yīng)用中有非常重要的意義?？赡軐?dǎo)致燒結(jié)試樣拉伸性能差異的因素主要包括燒結(jié)樣品的微觀孔隙、雜質(zhì)含量和晶粒尺寸。在燒結(jié)過程中，5種樣品致密度均達(dá)到98%。表3所列為5種粉末及其燒結(jié)樣品的氧含量。由表3可見：粉末的氧含量與粒度并無明顯變化規(guī)律。但當(dāng)粉末粒度最小時(shí)，具有最高氧含量。細(xì)粉末具有較大的比表面積，吸附氣體的能力較強(qiáng)，所以，細(xì)粉中雜質(zhì)氣體元素含量特別是氧含量相對(duì)較高，燒結(jié)樣品的氧含量相比原始粉末有所增加，但仍然較低，都小于0.1%，不會(huì)導(dǎo)致合金力學(xué)性能惡化。此外，燒結(jié)樣品的氧含量差別不大，基本處于同一水平。

表2 5種樣品拉伸力學(xué)性能Table 2Mechanical properties of the sintered samples

因此，5種燒結(jié)樣品塑性的差異主要由其晶粒尺寸決定。對(duì)5種樣品，在相分布、種類都一致的情況下，晶粒越細(xì)，在一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)目越多，在同樣的變形量下，變形分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，每個(gè)晶粒內(nèi)的變形較均勻，不致產(chǎn)生應(yīng)力過分集中的現(xiàn)象。此外，晶粒越細(xì)，晶界越曲折，不利于裂紋傳播，從而使其在斷裂前可承受較大的塑性變形[15]。

圖6所示為燒結(jié)樣品的拉伸斷口形貌。其中，圖6(a)所示為樣品D的斷口宏觀形貌，斷口周圍外表面未見明顯的塑形變形，呈現(xiàn)脆性斷裂特征。斷口除韌窩形貌外，還可見準(zhǔn)解理斷口形貌，如橢圓區(qū)域所示。圖6(b)所示為橢圓區(qū)域的放大形貌，可見撕裂棱。因此，這些準(zhǔn)解理斷口是樣品塑性較差的標(biāo)志[16]。圖6(c)和圖6(d)所示分別為樣品A和B的斷口形貌，為典型的韌窩，這也說明樣品具有較好的塑性。

3 結(jié)論

1)采用熱壓法燒結(jié)不同粒徑的球形Ti-6Al-4V粉末，致密度均可達(dá)到98%以上，接近全致密。

2)粉末Ti-6Al-4V合金均為α-Ti相組成的等軸晶結(jié)構(gòu)，晶粒內(nèi)為典型的網(wǎng)籃排列層片狀組織。原始粉末粒徑越小，燒結(jié)樣品晶粒尺寸越小。

3)當(dāng)原始粉末粒徑為50~100μm時(shí)，合金具有最大的強(qiáng)度和塑性。粉末Ti-6Al-4V合金塑性的差異主要由其晶粒尺寸決定。原始粉末越細(xì)，燒結(jié)樣品的塑性越好。粗粉中加入一定量細(xì)粉，能顯著提高其強(qiáng)度和塑性，從而有效降低粉末鈦合金的成本。

表3 5種粉末及燒結(jié)樣品的氧含量Table 3Oxygen content of powders and sintered samples

圖6 燒結(jié)樣品的斷口形貌Fig.6SEM fracture micrographs of the sintered samples (a),(b)Sample D;(c)SampleA;(d)Sample B

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(編輯：高海燕)

Effect of particle size on microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V alloy prepared by hot press

ZOU Liming,MAO Xinhua,LIU Xin,CAI Yixiang
(Institute for Materials and Processes of Guangdong Province,GuangdongAcademy of Science, Guangzhou 510650,China)

Four kinds of spherical Ti-6Al-4V powders prepared by PREP method were vacuum hot pressed.The phase composition,microstructure,fracture morphology and mechanical properties of sintered samples were investigated by XRD,SEM and mechanical tests respectively.The effects of the particle size on microstructures and mechanical properties of Ti-6Al-4V alloy were studied.The results show that the relative density of sintered samples can reach more than 98%,and their microstructures are all basket-weave lamellar.The plasticity of the alloy is affected by the particle size.With the particle size increasing,the grain size of sintered samples increases,which results in the decrease of the ductility.Compared to the coarse powder,the powder mixed coarse and fine powders can improve the ductility of alloy, and thus to reduce the cost of powder Ti alloy prepared by hot press.

Ti alloy;hot press;particle size;mechanical properties;Ti-6Al-4V

TF124

A

1673?0224(2016)02?217?06

廣州市產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新重大專項(xiàng)國(guó)際科技合作項(xiàng)目(2014J4500024)

2015?06?01；

2015?07?09

劉辛，高級(jí)工程師，博士。電話：020-61086128，E-mail:shaneliu118@163.com