封裝條件對(duì)氣體捕捉法制備泡沫Ti-6Al-4V的影響

王哲磊，任學(xué)平，侯紅亮，王耀奇

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封裝條件對(duì)氣體捕捉法制備泡沫Ti-6Al-4V的影響

王哲磊1, 2，任學(xué)平1，侯紅亮2，王耀奇2

(1. 北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083；2. 北京航空制造工程研究所，北京100024)

通過(guò)改變封裝階段氬氣壓力及粉末粒徑，制備不同類型致密化的預(yù)制坯，并進(jìn)行不同溫度下20 h等溫發(fā)泡實(shí)驗(yàn)。運(yùn)用阿基米德原理對(duì)發(fā)泡后坯料孔隙率進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)SEM對(duì)坯料內(nèi)部微觀特征進(jìn)行觀察，并對(duì)大孔孔徑及單位截面積內(nèi)孔洞數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，研究封裝氬氣壓力及粉末粒徑對(duì)預(yù)制坯等溫發(fā)泡行為的影響。研究結(jié)果表明：適當(dāng)增加封裝氬氣壓力可以使預(yù)制坯發(fā)泡后孔徑增大及孔洞數(shù)量增多，但過(guò)高的封裝氬氣壓力及過(guò)大的粉末粒徑均不利于預(yù)制坯發(fā)泡。較理想的初始封裝條件為：氬氣壓力0.4 MPa，粉末粒徑75~150 μm。其經(jīng)過(guò)980 ℃/ 100 MPa/4 h熱等靜壓后制備的預(yù)制坯在950 ℃/20 h等溫發(fā)泡后能夠得到平均孔隙率達(dá)到29.2%的泡沫Ti-6Al-4V，大孔孔徑平均值達(dá)到143 μm，基體內(nèi)孔洞成球形且彌散分布。

氣體捕捉法；Ti-6Al-4V合金；封裝條件；泡沫鈦

泡沫鈦及其合金不僅有低密度、高比強(qiáng)度、較寬的工作溫度范圍、良好的耐腐蝕性和生物相容性等優(yōu)異性能，而且具有吸能、隔音降噪、低熱導(dǎo)率和磁導(dǎo)率等泡沫材料的特性，在航空、航天、化工、醫(yī)療器械等方面具有廣泛的應(yīng)用前景[1?5]。目前國(guó)內(nèi)已有學(xué)者運(yùn)用漿料發(fā)泡[6]，添加造孔劑[7?8]、注模成形[9?10]等方法制備出了不同類型的泡沫鈦及其合金，但得到的泡沫鈦及其合金孔壁致密化程度低、微觀缺陷較多，力學(xué)穩(wěn)定性較差，在一定程度上制約了其作為結(jié)構(gòu)材料的推廣。近年來(lái)，有國(guó)外學(xué)者采用氣體捕捉法制備出了泡沫鈦及其合金[11?14]，其孔洞分布均勻，孔壁致密，力學(xué)性能穩(wěn)定，具有進(jìn)一步推廣應(yīng)用的前景。而國(guó)內(nèi)目前還未見(jiàn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究的報(bào)道。

氣體捕捉法又稱固態(tài)發(fā)泡法[1?2]，其工藝流程圖如圖1所示，主要包括包套封裝、預(yù)制坯制備和預(yù)制坯發(fā)泡三部分。發(fā)泡機(jī)理是：通過(guò)熱等靜壓將Ar捕捉到粉末之間的間隙中，得到具有高壓Ar孔洞的預(yù)制坯；然后將其置于高溫環(huán)境，孔洞在高壓Ar作用下長(zhǎng)大，最終獲得一定孔隙率的泡沫鈦。目前國(guó)外學(xué)者主要針對(duì)如何提高預(yù)制坯發(fā)泡后孔隙率進(jìn)行研 究[12, 15]，對(duì)于包套封裝和預(yù)制坯制備方面的研究報(bào)道相對(duì)較少。其中，在包套封裝條件對(duì)預(yù)制坯發(fā)泡行為影響方面雖有一定的報(bào)道，但均不夠系統(tǒng)[11, 16]，主要是作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)；也有學(xué)者在這方面采用有限元法進(jìn)行了相關(guān)的推算[17?18]，但由于缺乏相對(duì)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，其模型往往存在不足之處。

本文通過(guò)改變封裝氬氣壓力及粉末粒徑，制備不同封裝條件的Ti-6Al-4V預(yù)制坯，探究其在不同溫度下等溫發(fā)泡能力及發(fā)泡后微觀孔洞形態(tài)，討論初始階段封裝條件對(duì)泡沫Ti-6Al-4V發(fā)泡行為的影響規(guī)律及作用機(jī)制，以及進(jìn)一步完善封裝條件對(duì)氣體捕捉法制備泡沫Ti-6Al-4V方面的研究，為相應(yīng)的理論模型驗(yàn)證及修正提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用中國(guó)科學(xué)院金屬研究所生產(chǎn)的球形Ti-6Al-4V粉(其化學(xué)成分如表1所列)為原材料，經(jīng)篩分后主要粒徑為75~150 μm、150~300 μm、300~ 500 μm，其微觀形貌如圖2所示(粒徑75~150μm)；包套材料為商用Q235鋼(包套外形尺寸為60 mm× 120 mm×20 mm，壁厚為3 mm)。

表1 粉末化學(xué)成分

首先，將Ti-6Al-4V粉裝入留有通氣管的鋼包套內(nèi)，用自制氣源柜抽真空(真空度10?1Pa)，沖入一定壓力的高純氬氣(純度為99.999%)后將通氣管密封，完成包套封裝，其具體封裝條件如表2所列。然后，將包套置于MINI Hip-H1Q9型熱等靜壓設(shè)備中，在980 ℃/100 MPa/4 h條件下進(jìn)行預(yù)制坯致密化實(shí)驗(yàn)；用線切割將其切成11 mm×11 mm×11 mm的立方體，打磨其外表面并進(jìn)行超聲清洗，封入內(nèi)徑為20 mm石英管內(nèi)(真空度為10?3Pa)。最后，將封有預(yù)制坯的石英管放入ZDXS5-1.5箱式爐中進(jìn)行等溫發(fā)泡，溫度分別為850、900、950、1 000 ℃，當(dāng)達(dá)到保溫時(shí)間20 h后，取出石英管放入水中并立刻打破，用酒精清洗后吹干，進(jìn)而完成預(yù)制坯等溫發(fā)泡實(shí)驗(yàn)。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有代表性，每個(gè)條件下選取五個(gè)相同類型預(yù)制坯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

用SARTORIUS-AG-ME235S電子天平分別稱量坯料在空氣中及純凈水中的質(zhì)量，忽略氬氣的質(zhì)量，依據(jù)阿基米德原理計(jì)算出坯料的密度；根據(jù)公式(1?/s)×100%計(jì)算泡沫Ti-6Al-4V孔隙率并求其平均值，其中致密的Ti-6Al-4V合金密度s為4.45 g/cm3。通過(guò)LEO-1450掃描電子顯微鏡對(duì)坯料孔洞微觀形態(tài)進(jìn)行觀察。采用圖像處理軟件Image-Pro-Plus處理相應(yīng)低倍的SEM照片，獲得坯料內(nèi)大孔孔徑和單位面積孔洞數(shù)量。大孔孔徑主要是選取孔壁與視角平面接近90°的孔洞，對(duì)較大的20個(gè)孔洞求平均值；對(duì)SEM照片中500 μm×500 μm區(qū)域內(nèi)的孔洞數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，每個(gè)試樣隨機(jī)選取三個(gè)區(qū)域，計(jì)算單位面積內(nèi)孔洞數(shù)量的平均值。

圖1 泡沫Ti-6Al-4V制備工藝流程

表2 封裝條件

圖2 Ti-6Al-4V粉微觀形貌

2 結(jié)果與分析

2.1 封裝氬氣壓力對(duì)預(yù)制坯發(fā)泡行為的影響

圖3為A1-A6預(yù)制坯在不同溫度下20 h發(fā)泡后孔隙率隨封裝氬氣壓力變化曲線。對(duì)比相同溫度下泡沫Ti-6Al-4V孔隙率隨封裝氬氣壓力變化情況，可以看出：當(dāng)封裝氬氣壓力小于/等于0.4 MPa時(shí)，不同溫度下預(yù)制坯發(fā)泡后孔隙率均隨封裝氬氣壓力增加而變大；但繼續(xù)增加氬氣壓力，而孔隙率不再提高，其中在850、900、1 000 ℃下預(yù)制坯發(fā)泡后孔隙率基本不變，而950 ℃下預(yù)制坯發(fā)泡后孔隙率還略有降低。進(jìn)一步對(duì)比相同封裝氬氣壓力的預(yù)制坯發(fā)泡后孔隙率隨發(fā)泡溫度變化情況可以看出，不同類型預(yù)制坯均在950 ℃下得到較大的孔隙率，最大達(dá)29.2%。因此，選取950 ℃/20 h發(fā)泡后的坯料進(jìn)行微觀孔洞觀察，如圖4所示。

圖3 孔隙率隨封裝氬氣壓力變化曲線

從圖4可以看出，在氬氣壓力小于0.4 MPa的情況下，預(yù)制坯發(fā)泡后孔洞相對(duì)獨(dú)立，相互連通現(xiàn)象并不明顯。但進(jìn)一步增加氬氣壓力，預(yù)制坯發(fā)泡后孔洞連通現(xiàn)象增加，當(dāng)氬氣壓力達(dá)到0.6 MPa時(shí)，發(fā)泡后的預(yù)制坯內(nèi)部孔洞均處于連通狀態(tài)(如圖4中箭頭 所示)。

進(jìn)一步對(duì)低倍SEM照片內(nèi)大孔孔徑及單位面積內(nèi)孔洞數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到大孔孔徑平均值和單位面積內(nèi)孔洞數(shù)量隨氬氣壓力變化曲線，如圖5所示。坯料橫截面內(nèi)孔洞數(shù)量隨氬氣壓力增大而增加；而大孔孔徑在氬氣壓力為0.4 MPa時(shí)，達(dá)到最大值143 μm；但若進(jìn)一步增加氬氣壓力，大孔孔徑將減小，例如當(dāng)氬氣壓力增加到0.6 MPa時(shí)，大孔孔徑平均值減少到112 μm。

由此可知，增加封裝氬氣壓力能夠有效提高預(yù)制坯發(fā)泡的動(dòng)力，使其發(fā)泡后孔徑增加；同時(shí)還能夠增加預(yù)制坯發(fā)泡后孔洞數(shù)量。但過(guò)高的封裝氬氣壓力和過(guò)多的孔洞數(shù)量均會(huì)促進(jìn)相鄰孔洞之間連通，使預(yù)制坯內(nèi)孔洞在還沒(méi)有充分長(zhǎng)大的情況下就形成與其外表面相互連通的孔洞網(wǎng)絡(luò)，造成被捕捉在預(yù)制坯內(nèi)的氬氣逃逸到基體外，最終使預(yù)制坯內(nèi)孔洞失去發(fā)泡的動(dòng)力而停止長(zhǎng)大。

2.2 粉末粒徑對(duì)預(yù)制坯料發(fā)泡行為的影響

圖6為A4、B4、C4四種坯料在不同溫度下20 h發(fā)泡后的孔隙率隨粉末粒徑的變化曲線，從圖中可以看出：不同發(fā)泡溫度下坯料孔隙率隨粉末粒徑的變化規(guī)律基本一致，均為隨原始粉末粒徑增加，坯料發(fā)泡后孔隙率降低，說(shuō)明原始粉末的粒徑越大，越不利于預(yù)制坯料發(fā)泡；進(jìn)一步對(duì)比相同粉末粒徑坯料在不同溫度下20 h發(fā)泡孔隙率隨發(fā)泡溫度變化情況可知，A4~C4坯料均在950 ℃下獲得相對(duì)較高的孔隙率。因此，選取950 ℃/20 h發(fā)泡后的坯料進(jìn)行微觀孔洞觀察。

圖4 不同封裝氬氣壓力預(yù)制坯950 ℃/20 h發(fā)泡后微觀孔洞SEM照片

圖5 孔徑和孔洞數(shù)量隨封裝氬氣壓力變化曲線

圖6 孔隙率隨粉末粒徑變化曲線

通過(guò)對(duì)圖7中預(yù)制坯于950 ℃/20 h發(fā)泡后的孔洞隨粉末粒徑變化情況觀察可知：隨粉末粒徑增大，孔洞連通情況變得越來(lái)越明顯，不規(guī)則孔洞數(shù)量越來(lái)越多，原始粉末形貌越來(lái)越明顯。其中B4坯料內(nèi)已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)由相鄰大孔融合而成的棒狀孔洞(如圖7(b)中箭頭所示)，當(dāng)粉末粒徑進(jìn)一步增加到300~500 μm時(shí)，坯料內(nèi)孔洞均為不規(guī)則狀，同時(shí)可以清楚觀察到原始粉末的輪廓(如圖7(c)中箭頭所示)，而這些孔洞均是沿著大粒徑粉末邊緣排列。

圖7 不同粉末粒徑預(yù)制坯于950 ℃/20 h發(fā)泡后的孔洞SEM照片

進(jìn)一步對(duì)預(yù)制坯發(fā)泡后大孔孔徑和單位面積內(nèi)孔洞數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到大孔孔徑平均值和單位面積內(nèi)孔洞數(shù)量隨粉末粒徑變化曲線，如圖8所示。從圖中可以看出，隨粉末粒徑增大，單位面積內(nèi)孔洞數(shù)量減少；其中當(dāng)粒徑范圍達(dá)到300~500 μm時(shí)，孔洞密度降低到54個(gè)/mm2。雖然大孔孔徑也隨粉末粒徑增加而降低，但整體上相差不大。

圖8 孔徑和孔洞數(shù)量隨粉末粒徑變化曲線

由此可知，造成上述結(jié)果的主要原因是由于預(yù)制坯內(nèi)經(jīng)發(fā)泡可以長(zhǎng)大的孔洞是由粉末之間的空隙經(jīng)熱等靜壓形成的，粉末粒徑越大，致密化過(guò)程中預(yù)制坯內(nèi)形成的這類孔洞越少，這是預(yù)制坯發(fā)泡后孔隙率低的直接原因。而預(yù)制坯內(nèi)原始粉末結(jié)合處與粉末基體內(nèi)部抗塑性變形能力存在差異(原始粉末間是以相互擴(kuò)散連接的方式結(jié)合，其結(jié)合處相對(duì)于粉末基體有較多微觀缺陷，導(dǎo)致其抗塑性變形能力較差)，且隨粉末粒徑增加這種差異在發(fā)泡過(guò)程中表現(xiàn)得越明顯，導(dǎo)致預(yù)制坯內(nèi)孔洞優(yōu)先沿原始粉末結(jié)合處長(zhǎng)大的現(xiàn)象越嚴(yán)重，使原始粉末粒徑較大的預(yù)制坯發(fā)泡后得到的孔洞邊緣與基體粉末邊緣形狀一致，且孔形成不規(guī)則形狀；同時(shí)這種孔洞優(yōu)先沿原始粉末邊緣長(zhǎng)大的情況也促進(jìn)了相鄰孔洞連通以及最終與預(yù)制坯外表面相連，使其失去進(jìn)一步發(fā)泡的動(dòng)力，最終也造成孔徑降低。

3 結(jié)論

1) 適當(dāng)增加封裝氬氣壓力可以使預(yù)制坯發(fā)泡后孔徑增大及孔洞數(shù)量增多。但過(guò)高的封裝氬氣壓力會(huì)造成預(yù)制坯發(fā)泡過(guò)程中孔洞過(guò)早與外界相互連通，使其失去繼續(xù)發(fā)泡的能力，致使孔洞停止長(zhǎng)大。

2) 粉末粒徑越大，越不利于坯料發(fā)泡。過(guò)大的粉末粒徑會(huì)造成孔洞數(shù)量少，孔洞形態(tài)不規(guī)則且連通情況明顯。

3) 較理想的封裝條件為：氬氣壓力0.4 MPa，粉末粒徑75~150 μm，經(jīng)980 ℃/100 MPa/4 h熱等靜壓后制備的預(yù)制坯在950 ℃/20 h等溫發(fā)泡后能得到較好的泡沫Ti-6Al-4V，其平均孔隙率達(dá)29.62%，大孔孔徑平均值達(dá)143 μm，孔洞成球形且彌散分布。

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(編輯 高海燕)

Effect of filling process parameters on Ti-6Al-4V foams fabricated by gas entrapment

WANG Zhe-lei1, 2, REN Xue-ping1, HOU Hong-liang2, WANG Yao-qi2

(1. School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 10083, China;2. Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute, Beijing 100024, China)

By changing the filling process parameters of argon pressure and powder size, different types of densification billets were prepared, which were used to make Ti-6Al-4V foams by isothermal foaming under different temperature for 20h. Using Archimedes method, the porosity of Ti-6Al-4V foams was calculated; the micro-characteristics of the Ti-6Al-4V foams were observed by SEM; the diameter of large pores and number of pores per unit cross-sectional area were measured. The effects of filling argon pressure and powder size on the billets foaming behavior were studied. The results show that increasing the filling Ar pressure appropriately can increase the diameter of large pores and number of pores after foaming, but the over high pressure and over large particle size are not conducive to preform foaming. The relatively appropriate filling process parameters are the Ar pressure of 0.4 MPa and the powder size of 75~150 μm. Ti-6Al-4V foams containing up to average porosity of 29.2% with the average size of large pores reaching 143 μm are successfully produced using the billets of relatively good filling process parameters after 950℃/20 h isothermal foaming, whose pore morphology is sphere and pore distribution is dispersed.

gas entrapment; Ti-6Al-4V alloy; filling process parameters; titanium foams

TG146.2

A

1673-0224(2015)3-362-06

2014-12-10；

2014-12-31

任學(xué)平，教授，博士；電話：010-82376475；E-mail：rxp33@ustb.edu.cn