朱鈺玲，楊紹利，馬 蘭

(1.西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039；2.攀枝花學(xué)院釩鈦學(xué)院，四川 攀枝花 617000)

從上個(gè)世紀(jì)50年代起，鈦及鈦合金因具有密度小、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、化工、醫(yī)學(xué)、石油、電子、汽車(chē)、能源、建筑等多個(gè)領(lǐng)域中。目前在鈦合金工業(yè)領(lǐng)域中，使用最廣泛是Ti-6Al-4V合金[1]。

采用粉末冶金技術(shù)制備鈦合金，利用率幾乎可達(dá)100%，而且產(chǎn)品性能好，是降低鈦合金生產(chǎn)成本的重要途徑。采用氫化鈦粉代替鈦粉作為主要原料制備粉末冶金鈦材料已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。烏克蘭的O.M.Ivasishin教授[2]等人使用氫化鈦粉代替普通鈦粉，研究了3種成分的合金，Ti-2.5Fe、Ti-5Al-2.5Fe以及Ti-5Mn，經(jīng)過(guò)了冷壓成形和真空燒結(jié)之后，粉末冶金制得的產(chǎn)品致密度達(dá)到了93%～99%。亞歷山大·莫利亞爾[3]等，提出了以氫化鈦為原料制備Ti-6Al-4V合金半成品的工藝，研究發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)后產(chǎn)生的孔隙可以通過(guò)后續(xù)軋制工藝消除，并且經(jīng)過(guò)軋制后合金的強(qiáng)度和塑性得到極大的提高。程新龍[4]等發(fā)現(xiàn)置氫燒結(jié)可明顯提高Ti、V、Al原子的擴(kuò)散能力，使合金元素可進(jìn)行更快地分布，加快并發(fā)生粗化現(xiàn)象，形成網(wǎng)狀組織結(jié)構(gòu)。

本文使用氫化鈦粉代替鈦粉作為原料，可有效降低成本，減少工藝流程，促進(jìn)鈦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

氫化鈦粉由攀枝花市某企業(yè)提供，鋁釩合金粉購(gòu)自遼寧某材料公司。表1為氫化鈦粉化學(xué)成分，表2為鋁釩合金化學(xué)成分。

表1 TiH2化學(xué)成分(wt.%)Tab.1 TiH2 chemical composition (wt.%)

表2 鋁釩合金化學(xué)成分(wt.%)Tab.2 Chemical composition of aluminum-vanadium alloy (wt.%)

氫化鈦粉和鋁釩合金的平均粒徑為300目，粘結(jié)劑硬脂酸為化學(xué)純。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用預(yù)合金粉末冶金法，以氫化鈦粉、釩鋁合金粉為原料，其中氫化鈦粉占質(zhì)量百分比為90%，鋁釩合金粉占比10%?；旌虾蟮脑险婵諠衲? h，真空干燥6 h[5]。摻入占物料質(zhì)量的3%硬脂酸，壓制成型，在真空燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，研究燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間對(duì)Ti-6Al-4V合金性能的影響。

1.3 試樣性能檢測(cè)

對(duì)燒結(jié)后的TC4合金試樣進(jìn)行以下性能檢測(cè)：(1) 顯微組織觀察，腐蝕液選擇1%HF+4%HNO3，使用金相顯微鏡(AFT-DC200)對(duì)試樣顯微組織進(jìn)行觀察。(2) 密度及致密度檢測(cè)：使用密度測(cè)試儀(AR224CN)對(duì)密度進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)一個(gè)樣品進(jìn)行兩次檢測(cè)，最后選擇平均值作為密度的最后結(jié)果。致密度為實(shí)際密度與理論密度的比值。(3) 硬度檢測(cè)：用維氏硬度機(jī)(HVS-50)對(duì)樣品進(jìn)行硬度檢測(cè)。(4) 將試樣送至攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼鐵研究院有限公司檢測(cè)中心檢測(cè)成分，主要檢測(cè)Ti、Al、V、C、H、O、N、Fe、S、P的成分含量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)成分

表3為T(mén)i-6Al-4V合金化學(xué)成分國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和試樣化學(xué)成分，可以看出除了C、Fe超出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍，其余元素均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，其中氫化鈦粉中的H元素脫除得較好；在真空條件下，溫度大于350 ℃時(shí)，氫化鈦分解，釋放出活性氫原子，活性氫原子能夠去除中間合金表面的氧化物，最后所得燒結(jié)體試樣中氧含量較低。C、Fe元素的含量超過(guò)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍，C元素含量高的原因可能是原料本身含有少量C，其次添加的粘結(jié)劑可能較多，原料和粘結(jié)劑中的C元素與Al、V、Ti會(huì)發(fā)生反應(yīng)，形成硬質(zhì)相；Fe含量較高，造成這種現(xiàn)象的原因可能是在檢測(cè)過(guò)程中，有Fe元素從取樣機(jī)器的鉆頭上脫除，或者是在樣品壓制成型時(shí)，從模具上混入了Fe元素，造成了Fe元素偏高的結(jié)果。

表3Ti-6Al-4V合金標(biāo)準(zhǔn)成分和試樣化學(xué)成分(wt.%)
Tab.3ChemicalcompositionofTi-6Al-4Valloysample(wt.%)

名稱AlVCNSi標(biāo)準(zhǔn)5.5～6.73.5～4.5<0.08<0.05<0.20試樣5.923.920.120.020.14名稱HOFeSP標(biāo)準(zhǔn)<0.015<0.20<0.20<0.20<0.20試樣0.00320.140.270.130.006

2.2 燒結(jié)溫度對(duì)Ti-6Al-4V合金的影響

2.2.1 燒結(jié)溫度對(duì)密度及致密度的影響

表4為不同燒結(jié)溫度的試樣密度及致密度，Ti-6Al-4V合金標(biāo)準(zhǔn)密度為4.4 g/cm3。從表4可以看出，燒結(jié)溫度在1180～1220 ℃范圍內(nèi)，隨著燒結(jié)溫度的升高，試樣的密度及致密度逐漸增加，在燒結(jié)溫度為1220 ℃時(shí)，試樣致密度最大，達(dá)到95.47%。

燒結(jié)可以分為燒結(jié)初期的粘結(jié)階段、燒結(jié)中期的燒結(jié)頸長(zhǎng)大階段以及燒結(jié)后期的孔隙球化和縮小階段。隨著燒結(jié)溫度的增加，氫在鈦中擴(kuò)散能力增強(qiáng)，氫進(jìn)入鈦的晶格間隙內(nèi)，形成間隙固溶體，使鈦基體的晶格發(fā)生嚴(yán)重的扭曲變形，增加晶格間畸變能，導(dǎo)致鈦中的空位濃度和位錯(cuò)增加，降低了燒結(jié)過(guò)程中的自由能，燒結(jié)過(guò)程中燒結(jié)頸長(zhǎng)大速率增大，孔隙逐漸球化縮小，燒結(jié)體更加致密[6,7]。

表4 不同燒結(jié)溫度的試樣密度及致密度Tab.4 Sample density and densificationat different sintering temperatures

2.2.2 燒結(jié)溫度對(duì)顯微組織的影響

圖1為不同燒結(jié)溫度下試樣的顯微組織，從圖1(a)可以看出，α相呈片狀分布在β相基體上，隨著燒結(jié)溫度的升高，α相的體積逐漸增加，由片狀轉(zhuǎn)變?yōu)闂l狀，晶粒逐漸變大，部分區(qū)域聚集著α相組織和β相組織交錯(cuò)的類網(wǎng)籃組織，如圖1(c)，整體類似于典型的等軸組織，但組織分布不均勻。這是因?yàn)棣孪嗟霓D(zhuǎn)變溫度為882.5 ℃，當(dāng)溫度超過(guò)882.5 ℃時(shí)，α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，燒結(jié)結(jié)束后，隨爐冷卻至882.5℃時(shí)，α相在β相晶界形核，以層片狀的形式在β相晶粒中長(zhǎng)大，分布在β相基體上，而β相有一部分會(huì)分解，轉(zhuǎn)變成條狀的α相。

2.2.3 燒結(jié)溫度對(duì)硬度的影響

圖2為不同燒結(jié)溫度下試樣的維氏硬度。從圖2可以看出，試樣的燒結(jié)溫度在1180～1220 ℃范圍內(nèi)，隨著燒結(jié)溫度的升高，試樣的硬度逐步增加，當(dāng)燒結(jié)溫度從1180 ℃升高1200 ℃時(shí)，硬度增長(zhǎng)幅度較大；當(dāng)燒結(jié)溫度從1200 ℃升高到1220 ℃時(shí)，硬度增長(zhǎng)幅度較小，在燒結(jié)溫度為1220 ℃時(shí)達(dá)到最大。這是由于隨著溫度的升高，試樣中的孔隙含量也隨之減少，硬度也會(huì)隨著致密度的升高而增加，但是當(dāng)燒結(jié)溫度高于1200 ℃以后，致密化過(guò)程減慢，試樣密度趨于平穩(wěn)，硬度變化幅度不大。

2.3 保溫時(shí)間對(duì)Ti-6Al-4V合金的影響

2.3.1 保溫時(shí)間對(duì)密度及致密度的影響

表5為不同保溫時(shí)間的試樣密度及致密度，從表5可以看出，樣品保溫時(shí)間在210 ～240 min范圍內(nèi)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，樣品的密度及致密度增加，在保溫時(shí)間為240 min時(shí)，致密度最高，達(dá)到94.89%，隨后致密度略微下降。這是由于在燒結(jié)前期，燒結(jié)體組織正處于轉(zhuǎn)變期，蠕變、擴(kuò)散等現(xiàn)象都在這一時(shí)期出現(xiàn)，燒結(jié)還進(jìn)一步收縮[8]，變形主要以塑性變形為主，內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)一步致密化到了后期，致密化進(jìn)程減慢，致密度基本維持不變。

(a)1180 ℃

(b)1200 ℃ (c)1220 ℃圖1 不同燒結(jié)溫度下試樣的顯微組織Fig.1 Microstructure of the specimen at different sintering temperatures

圖2 不同燒結(jié)溫度下試樣的維氏硬度Fig.2 Vickers hardness of samples with different sintering temperatures

燒結(jié)溫度(℃)保溫時(shí)間(min)密度(g/cm3)致密度(%)2103.96890.2012002404.17594.892704.17394.84

2.3.2 保溫時(shí)間對(duì)顯微組織的影響

圖3為不同保溫時(shí)間下試樣的顯微組織，從圖3(a)、3(b)可以看出，試樣保溫時(shí)間在210～240 min范圍內(nèi)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，顯微組織上的孔隙逐漸縮小，晶粒變得細(xì)小，α相呈片狀；當(dāng)試樣的保溫時(shí)間延長(zhǎng)至270 min時(shí)，晶粒更加粗大，α相呈條狀和片狀，見(jiàn)圖3(c)。由于隨著保溫時(shí)間增加，燒結(jié)更加充分，組織進(jìn)一步致密，孔隙數(shù)量也會(huì)減少，當(dāng)燒結(jié)達(dá)到一定程度以后，晶粒會(huì)隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而長(zhǎng)大[9]。

(a)210 min

(b)240 min (c)270 min圖3 不同保溫時(shí)間下試樣的顯微組織Fig.3 Microstructure of the specimen at different holding times

2.3.3 保溫時(shí)間對(duì)硬度的影響

圖4為不同保溫時(shí)間的試樣維氏硬度，從圖4可以看出，試樣保溫時(shí)間在210～240 min范圍內(nèi)，隨著保溫時(shí)間的增加，試樣的硬度也增加，在保溫時(shí)間為240 min時(shí)達(dá)到最大，為410.03 HV，隨后少幅度下降。這是因?yàn)殡S著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，組織處于轉(zhuǎn)變過(guò)程中，并且在這一時(shí)間段內(nèi)可能出現(xiàn)重結(jié)晶，晶粒開(kāi)始長(zhǎng)大粗化，所以導(dǎo)致了燒結(jié)體維氏硬度的下降[10]。

3 結(jié)論

(1)試樣中的Ti、Al、V元素均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，氫元素脫除較徹底，但仍殘留少量雜質(zhì)元素，且C、Fe元素殘留較多，下一步應(yīng)改善實(shí)驗(yàn)方案，降低C、Fe元素的含量。

(2)試樣致密度最高達(dá)到了95.47%，還需進(jìn)一步優(yōu)化燒結(jié)制度；試樣的硬度較高，達(dá)到了411.30 HV。

圖4 不同保溫時(shí)間的試樣維氏硬度Fig.4 Vickers hardness of samples at different holding times