范維揚(yáng)

摘要： 本文主要以等離子燒結(jié)工藝制備Ti-215Nb合金為例，介紹了粉末燒結(jié)工藝的應(yīng)用情況以及內(nèi)燃機(jī)用粉末燒結(jié)Ti-215Nb合金組織的意義、材料、方法、結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，以期在Ti-215Nb合金的制備過(guò)程中，不僅可以降低合金的生產(chǎn)成本，還能避免污染物的大規(guī)模產(chǎn)生，希望能夠給讀者帶來(lái)啟發(fā)。

Abstract： This paper mainly takes the plasma sintering process preparation of Ti-21.5Nb alloy as an example， introduces the application and the significance， materials， methods， structure and experimental results of the Ti-21.5Nb alloy with internal combustion engine by powder sintering， in order to reduce the production cost of Ti-21.5Nb alloy， but also to avoid the large-scale production of pollutants， and hope to inspire readers.

關(guān)鍵詞： 內(nèi)燃機(jī);Ti-21.5Nb合金;力學(xué)性能

Key words： internal combustion engine;Ti-21.5Nb alloy;mechanical properties

中圖分類(lèi)號(hào)：TG146.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）01-0038-03

0 ?引言

Ti-215Nb合金作為我國(guó)自主研發(fā)的一種新型β鈦合金，因具有力學(xué)性能調(diào)節(jié)范圍大的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種高性能內(nèi)燃機(jī)的制造工作當(dāng)中，但在過(guò)去的制備中，Ti-215Nb合金的主要制備方式為鑄錠冶金法，這種是技術(shù)方法污染嚴(yán)重、成本高，現(xiàn)階段，為切實(shí)解決上述問(wèn)題，粉末冶金法制備Ti-215Nb合金受到了人們的廣泛歡迎。

1 ?粉末燒結(jié)工藝的應(yīng)用情況

在當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)及實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，鈦及其合金因具有高強(qiáng)度、低密度、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，成為了一種使用范圍較為廣泛的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，并且被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)用材料、內(nèi)燃機(jī)生產(chǎn)制造等領(lǐng)域當(dāng)中，但在鈦及其合金產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過(guò)程中，傳統(tǒng)的鑄錠冶金法無(wú)法切實(shí)滿足當(dāng)前產(chǎn)品生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)等方面的需要，這種情況的出現(xiàn)使得粉末燒結(jié)工藝得到了有效的發(fā)展。

1.1 粉末燒結(jié)工藝的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

在當(dāng)前的粉末冶金工藝應(yīng)用過(guò)程中，由于這一技術(shù)有著成本低、效率高、污染低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于家電、汽車(chē)等領(lǐng)域的各種高精度零部件的生產(chǎn)過(guò)程中，并且隨著當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，粉末冶金工藝得到了有效的發(fā)展，應(yīng)用這一技術(shù)能夠生產(chǎn)出更為復(fù)雜精密的零部件，這種情況的出現(xiàn)使得粉末冶金工藝逐漸被應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、軍工航天等領(lǐng)域當(dāng)中。需要注意的是，盡管粉末冶金是一種近凈成形的零部件生產(chǎn)加工工藝，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)于精度要求較低的零部件，并不需要對(duì)零部件進(jìn)行后續(xù)的機(jī)械加工，但對(duì)精度要求較高的零部件還需要在零部件交工前對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的機(jī)械加工，以便保證零部件的精度能夠切實(shí)滿足零部件質(zhì)量要求，同時(shí)，在零部件加工過(guò)程中，受脫模路徑的限制，對(duì)于一些無(wú)法直接形成的結(jié)構(gòu)，同樣需要在后續(xù)加工過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行加工處理[1]。

1.2 粉末冶金工藝的應(yīng)用不足

在粉末燒結(jié)工藝實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于經(jīng)過(guò)粉末燒結(jié)工藝處理得到的零部件結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在孔隙結(jié)構(gòu)，在后續(xù)加工過(guò)程中，刀具在孔隙間進(jìn)出，會(huì)使刀具因受到高頻荷載沖擊而出現(xiàn)疲勞損耗，同時(shí)，零部件的多孔結(jié)構(gòu)會(huì)大大降低自身的導(dǎo)熱性能，使得零部件在切削加工過(guò)程中，切削部位產(chǎn)生的熱量無(wú)法及時(shí)傳遞到周邊環(huán)境中，進(jìn)而使得刀具的磨損進(jìn)一步加劇。舉例來(lái)說(shuō)，若當(dāng)前經(jīng)粉末燒結(jié)工藝得到的零部件宏觀硬度為25HRC，那么零部件材料內(nèi)部硬質(zhì)顆粒的硬度將會(huì)達(dá)到60HRC，若使用刀具對(duì)零部件進(jìn)行切削加工，那么刀具會(huì)因與硬質(zhì)顆粒發(fā)生碰撞摩擦而出現(xiàn)嚴(yán)重的顆粒磨損。同時(shí)，在應(yīng)用粉末燒結(jié)工藝加工一些高密度合金時(shí)，得到的零部件往往有著硬度高、脆性大等特點(diǎn)，這種情況的出現(xiàn)進(jìn)一步提升了后期切削加工的難度。

1.3 粉末燒結(jié)零部件性質(zhì)的改善

在當(dāng)前的粉末燒結(jié)工藝應(yīng)用的過(guò)程中，為切實(shí)降低零部件切削加工的難度，較為常用的零部件可加工性改善方式包括表面浸滲、易切削劑添加等，以便達(dá)到降低到具有磨損的效果。此外，生胚加工作為一種在合金粉末燒結(jié)前，對(duì)材料進(jìn)行機(jī)械加工的工藝，可以從根本上降低零部件對(duì)刀具的磨損。具體來(lái)說(shuō)，首先，應(yīng)用表面浸滲的方式，對(duì)零部件進(jìn)行處理的時(shí)，可以用銅這類(lèi)的金屬或聚合物對(duì)粉末冶金材料的表面進(jìn)行浸滲，使零部件的表面孔隙在加工前被封閉，降低切削過(guò)程中波動(dòng)的產(chǎn)生與影響，從而達(dá)到延長(zhǎng)刀具使用壽命，提升零部件表面加工質(zhì)量的目的。其次，在切削過(guò)程中，為切實(shí)降低切削工作的難度，還可以通過(guò)在零件生產(chǎn)時(shí)，在材料中添加MgSiO3、MnS等易切削劑的方式，降低材料的強(qiáng)度。最后，粉末冶金生胚加工是一種在粉末燒結(jié)前，高硬度馬氏體并不存在的情況下，對(duì)壓制成型的零件進(jìn)行加工，降低切削加工產(chǎn)生的磨損，并提升零部件的加工效率。需要注意的是，在應(yīng)用生胚加工過(guò)程中，為避免生胚在裝夾時(shí)發(fā)生破損的現(xiàn)象，需要在加工前保證生胚的強(qiáng)度在20MPa以上，同時(shí)，在進(jìn)行生胚機(jī)械加工時(shí)，為避免零件邊沿發(fā)生崩塌現(xiàn)象，可以使用溫壓工藝對(duì)其進(jìn)行處理，從而達(dá)到提升生胚的強(qiáng)度的目的。溫壓工藝的工藝特點(diǎn)是，在零部件成形時(shí)，將粉末與模具加熱至90-150℃之間，在該溫度范圍內(nèi)使降低粉末的屈服強(qiáng)度、加工硬化速率，減小零部件的塑性變形阻力與致密化阻力，從而為粉末后續(xù)壓制過(guò)程中顆粒的塑性變形工作提供便利。同時(shí)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)過(guò)溫壓處理的生胚密度要比常壓下的生胚密度高出0.15-0.3g/cm3，并且其強(qiáng)度可以達(dá)到常壓下的4倍以上，這種情況的出現(xiàn)使得生胚的強(qiáng)度能夠滿足后續(xù)切削工作的需要。

2 ?內(nèi)燃機(jī)用粉末燒結(jié)Ti-215Nb合金組織的意義

Ti-215Nb合金因具有α、β、ω等多種形式的組織相，在實(shí)際使用過(guò)程中，可以在很大范圍內(nèi)對(duì)Ti-215Nb合金組織力學(xué)性能進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便滿足后續(xù)合金零部件生產(chǎn)制造的需要，并使零部件表現(xiàn)出極佳的超彈性、可調(diào)性特征。但需要注意的是，在過(guò)去一段時(shí)間的生產(chǎn)制造過(guò)程中，內(nèi)燃機(jī)中使用的Ti-215Nb合金主要是通過(guò)傳統(tǒng)的鑄錠冶金法制備得到的，在合金制備過(guò)程中，有著材料消耗量大、污染較為嚴(yán)重等缺點(diǎn)。近年來(lái)，隨著現(xiàn)代化、低碳化社會(huì)發(fā)展進(jìn)程的不斷推進(jìn)，為切實(shí)解決上述問(wèn)題，應(yīng)用粉末冶金法這種不需要對(duì)Ti-215Nb合金進(jìn)行切削加工的零部件加工方法，不僅可以有效降低合金加工過(guò)程中消耗的原材料總量，降低機(jī)加工余量，還能有效提升零部件的生產(chǎn)效率，降低零部件的最終生產(chǎn)成本。

現(xiàn)階段，粉末冶金法已經(jīng)成為制備內(nèi)燃機(jī)用鈦合金及其他零部件應(yīng)用鈦合金的有效手段之一，在應(yīng)用預(yù)合金粉末冶金法制備內(nèi)燃機(jī)用鈦合金的過(guò)程中，鈦合金制備的原材料為鈦或鈦合金粉末，然后對(duì)不同組元成分進(jìn)行分散混合處理，以便令合金粉末在原子層面呈現(xiàn)分散狀態(tài)，從而獲得多組元的混合均勻物，保證最終制備得到的Ti-215Nb合金顆粒均勻合金化，并且通過(guò)制備得到高合金化的燒結(jié)體，降低合金的成分偏析，從而保證合金有著組織結(jié)構(gòu)均勻、力學(xué)性能優(yōu)異、晶粒尺寸降低、熱加工性能提升等特點(diǎn)。同時(shí)，放電等離子燒結(jié)作為一種利用放電等離子完成燒結(jié)操作的工藝，在合金制備過(guò)程中，這一工藝有著可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的快速控制、燒結(jié)時(shí)間較短、制備試樣相對(duì)密度較高等優(yōu)點(diǎn)，而且因這一工藝在應(yīng)用過(guò)程中并不需要使用坩堝、陶瓷噴嘴等工具，所以造成合金制備二次污染問(wèn)題的可能性比較小。但需要注意的是，在合金制備過(guò)程中，由于金屬粉末可能會(huì)受到脈沖電流的影響，使得粉末間隙產(chǎn)生放電等離子體，進(jìn)而出現(xiàn)擊穿金屬粉末氧化層與雜質(zhì)的現(xiàn)象[2]。

3 ?內(nèi)燃機(jī)用粉末燒結(jié)Ti-215Nb合金的材料與方法

為驗(yàn)證Ti-215Nb合金的力學(xué)性能并表征合金固溶時(shí)效組織的結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)性質(zhì)，本文主要應(yīng)用放電等離子燒結(jié)工藝制備了β型的Ti-215Nb合金，并對(duì)合金進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。

3.1 合金試樣制備

在制備Ti-215Nb合金的過(guò)程中，首先，利用電極棒快速旋轉(zhuǎn)制備合金粉末，具體操作為，合金端面在離子弧的作用下呈現(xiàn)熔融態(tài)，然后令熔融的合金液滴在離心力的作用下進(jìn)入外部冷卻介質(zhì)中，凝固為小粒徑的合金顆粒;其次，篩選粒徑在150μm以下的合金顆粒，做為制備Ti-215Nb合金的原材料;再次，對(duì)合金顆粒進(jìn)行元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量測(cè)試，并且得到合金粉末組成為T(mén)i-215Nb-310Zr-296Mo-212Sn-0095O;最后，進(jìn)行Ti-215Nb合金粉末的燒結(jié)。需要注意的是，當(dāng)前合金的具體燒結(jié)過(guò)程在FCT—HPD25/4放電等離子燒結(jié)爐內(nèi)完成，具體的燒結(jié)步驟為，第一步，將裝有預(yù)合金粉末的模具放置到燒結(jié)爐當(dāng)中;第二步，設(shè)定上下模的壓力，控制燒結(jié)爐內(nèi)的真空度小于1×10-3Pa，令燒結(jié)爐內(nèi)的溫度以100℃×min-1的速率進(jìn)行升溫;第三步，令合金粉末在1000℃的溫度下進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，并且當(dāng)燒結(jié)爐內(nèi)的溫度達(dá)到1000℃后，使其繼續(xù)保持10min[3]。

3.2 合金試樣熱處理

在合金試樣制備過(guò)程中，對(duì)于尺寸為Φ52mm×9mm的未經(jīng)熱處理的燒結(jié)合金試樣（WT）來(lái)說(shuō)，可以采用三種不同的工藝對(duì)其進(jìn)行熱處理。第一種處理方式為，令合金試樣在800℃的溫度下固溶10min，然后對(duì)其進(jìn)行水冷處理，從而得到固溶試樣（ST）;第二種處理方式為，在380℃的環(huán)境下，對(duì)固溶試樣進(jìn)行4h的時(shí)效處理，然后對(duì)其進(jìn)行空冷處理，從而得到固溶時(shí)效處理試樣1（SAT1）;第三種處理方法為，在500℃的環(huán)境下，對(duì)固溶試樣進(jìn)行6h的失效處理，然后進(jìn)行空冷處理，最后得到固溶時(shí)效處理試樣2（SAT2）。

3.3 預(yù)合金粉末與燒結(jié)試樣觀察

在觀察預(yù)合金粉末與燒結(jié)試樣微觀形貌時(shí)，可以應(yīng)用JSM—6700掃描電子顯微鏡;在觀察預(yù)合金粉末和燒結(jié)試樣金相組織時(shí)，可以應(yīng)用OLYMPUS徑向顯微鏡;在分析試樣物相組成時(shí)，可以借助SmartLab型X射線衍射儀（XRD）;在測(cè)試試樣力學(xué)性能時(shí)，可以使用AG—Xplus/100kN萬(wàn)能拉伸測(cè)試儀，并且將其拉伸速率控制在05mm/min。

4 ?內(nèi)燃機(jī)用粉末燒結(jié)Ti-215Nb合金的結(jié)構(gòu)分析

4.1 Ti-215Nb預(yù)合金粉末微觀形貌

Ti-215Nb預(yù)合金粉末的微觀形貌如圖1所示，從圖中可以看出，通過(guò)等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備得到的預(yù)合金球形粉末相對(duì)密度較高，沒(méi)有出現(xiàn)孔洞以及球形粒子相互焊合的情況。同時(shí)，從圖1（a）中可以看出，部分球形顆粒表面出現(xiàn)了樹(shù)枝晶結(jié)構(gòu)與少量的單晶組織，其中樹(shù)枝晶枝晶結(jié)構(gòu)并不發(fā)達(dá)，部分球形顆粒表面出現(xiàn)了明顯的胞裝變化;從圖1（b）中可以看出，采用放電等離子燒結(jié)法得到的粉末相較于氣霧化法得到的粉末，其相對(duì)密度更高，并且粉末的球形度與流動(dòng)性也得到了優(yōu)化。

4.2 不同熱處理?xiàng)l件下Ti-215Nb合金物相組織形貌

將經(jīng)過(guò)不同熱處理方法后得到的Ti-215Nb合金試樣進(jìn)行X射線衍射，得到如圖2所示的衍射圖譜。從圖中可以看出，使用常規(guī)鑄錠法與放電等離子燒結(jié)法制備的Ti-215Nb合金相組成變化規(guī)律相同，燒結(jié)試樣和固溶試樣都是由β相與α相構(gòu)成，并且燒結(jié)試樣都以β相為主，α相為輔;經(jīng)過(guò)固溶時(shí)效處理的試樣中含有初生α相與β相。在500℃環(huán)境下，對(duì)Ti-215Nb合金固溶試樣進(jìn)行時(shí)效處理后，合金基體中α相全部消失，并析出ω相;在380℃的環(huán)境下，對(duì)Ti-215Nb合金進(jìn)行時(shí)效處理，組織中僅存α相，ω相完全消失。

對(duì)進(jìn)行熱處理后的Ti-215Nb合金試樣進(jìn)行電子顯微形貌掃描，可以了解到，燒結(jié)試樣組織主要由β等軸晶與小尺寸α相組成，其中，β等軸晶的粒徑在30-80μm之間，晶界結(jié)構(gòu)明顯，沒(méi)有生成孔洞，顆粒直徑較小，相對(duì)密度較高。在800℃環(huán)境下形成為固溶試樣組織主要由相構(gòu)成，同時(shí)β相中生成了橢球形的α彌散組織，這些α相主要分布在晶界處，尺寸較大，并且分布狀態(tài)較為密集，上述現(xiàn)象出現(xiàn)的原因在于晶界部位核能較低，晶粒在晶界部位優(yōu)先形核，并且相較與晶體內(nèi)部，合金組織的生長(zhǎng)速率在該處的生長(zhǎng)速率更高。相似于常規(guī)鑄錠合金的顯微組織形貌，在380℃環(huán)境下，對(duì)試樣進(jìn)行時(shí)效處理過(guò)程中，合金組織內(nèi)部形成了明顯的晶界結(jié)構(gòu)，晶粒中出現(xiàn)了許多彌散組織，并且當(dāng)時(shí)效溫度上升至500℃時(shí)，短針型結(jié)構(gòu)的α相組織析出，析出的α相長(zhǎng)度在02-05m之間，組織形態(tài)為相互交織分布，并且晶內(nèi)α相的長(zhǎng)度明顯小于晶界處α相長(zhǎng)度。需要注意的是，由于預(yù)合金粉末顆粒中存在許多細(xì)小枝晶，這使得粉末在經(jīng)過(guò)燒結(jié)、熱處理后，α相組織比常規(guī)鑄態(tài)組織尺寸更小，這種情況的出現(xiàn)使得合金的相對(duì)密度更高。

4.3 Ti-215Nb合金的力學(xué)性能

對(duì)不同熱處理?xiàng)l件下的Ti-215Nb合金試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試可以得到如下測(cè)試結(jié)果，第一，在800℃的環(huán)境下，進(jìn)行試樣固溶時(shí)效處理得到的Ti-215Nb合金力學(xué)性能最好，并且相較于常規(guī)的制備方法，放電等離子燒結(jié)法制備得到的合金試樣在具有高塑性、低彈性模量等優(yōu)點(diǎn)外，其拉伸強(qiáng)度提升了100MPa左右，對(duì)上述情況出現(xiàn)的原因進(jìn)行分析可以了解到，由于在800℃環(huán)境下進(jìn)行固溶時(shí)效處理，使得合金中的α馬氏體組織析出，有效強(qiáng)化了合金的性能。第二，在380℃環(huán)境下，進(jìn)行4h失效處理，得到的Ti合金基體內(nèi)產(chǎn)生了大量細(xì)小彌散的ω組織，這種情況的船不僅使得合金的拉伸輕度增大到100MPa，還使其伸長(zhǎng)率達(dá)到了6%。對(duì)上述兩點(diǎn)分析進(jìn)行整理可以了解到，對(duì)合金進(jìn)行固溶時(shí)效處理可以有效優(yōu)化其其組織結(jié)構(gòu)，使得合金的綜合力學(xué)性能能夠得到有效的提升。

5 ?結(jié)語(yǔ)

顧名思義，采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備內(nèi)燃機(jī)用Ti-215Nb合金，并對(duì)其進(jìn)行固溶與時(shí)效性處理，對(duì)合金的結(jié)構(gòu)組織與力學(xué)特征進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，第一，利用等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備的預(yù)合金球形粉末有著相對(duì)較高的密度，并且沒(méi)有形成孔洞，球形顆粒并未發(fā)生相互焊合的問(wèn)題，同時(shí)，部分球形顆粒表面區(qū)域生成了枝晶結(jié)構(gòu)與少量的單晶組織。第二，放電等離子燒結(jié)的Ti-215Nb合金與常規(guī)鑄錠合金結(jié)構(gòu)變化規(guī)律相同，合金試樣與固溶試樣都是由β相與α相組成的，燒結(jié)組織由β等軸晶與部分小尺寸α相組成，并且經(jīng)過(guò)不同的熱處理技術(shù)，用SPS法制備的Ti-215Nb合金組織相位轉(zhuǎn)變方式為β相—ω相—α相，并且，對(duì)常規(guī)工藝制備的Ti-215Nb合金于熱處理后得到的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，在550℃環(huán)境下應(yīng)用SPS法制備的合金，進(jìn)行時(shí)效處理得到的α相尺寸更小。第三，在830℃環(huán)境下，經(jīng)過(guò)固溶處理得到的Ti-215Nb合金試樣力學(xué)性能更為優(yōu)異，并且相較于應(yīng)用常規(guī)方法制得的合金板材，固溶處理后的合金板材拉伸強(qiáng)度明顯增大了100MPa，從此可以看出，對(duì)合金進(jìn)行合適的固溶、時(shí)效處理，可以進(jìn)一步提升合金的綜合力學(xué)性能。

參考文獻(xiàn)：

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