元素Cr含量對(duì)粉末冶金TC4合金組織與性能的影響

張豪胤，祝要民, 2，王文焱, 2，謝敬佩, 2，徐 堅(jiān), 元亞莎，許開(kāi)輝

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元素Cr含量對(duì)粉末冶金TC4合金組織與性能的影響

張豪胤1，祝要民1, 2，王文焱1, 2，謝敬佩1, 2，徐 堅(jiān)1, 元亞莎1，許開(kāi)輝1

(1. 河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，洛陽(yáng)471003;2. 河南省有色金屬協(xié)同創(chuàng)新中心，洛陽(yáng) 471023)

采用冷等靜壓+真空燒結(jié)+熱等靜壓(CHIP)法制備不同Cr含量的TC4鈦合金，通過(guò)金相顯微鏡分析、力學(xué)性能測(cè)試、掃描電鏡分析及透射電鏡分析等方法研究Cr元素對(duì)TC4微觀組織與性能的影響。結(jié)果表明：隨Cr元素含量增加，TC4合金的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度升高，伸長(zhǎng)率逐漸下降。Cr含量為2%時(shí)，TC4合金的抗拉強(qiáng)度為982 MPa，伸長(zhǎng)率為14%，抗壓強(qiáng)度為1 632 MPa，綜合力學(xué)性能較好。

鈦合金；粉末冶金；微觀組織；力學(xué)性能

鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能及生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)。在航空、航天、汽車(chē)、艦艇及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。被譽(yù)為“現(xiàn)代金屬”、“戰(zhàn)略金屬”[1?2]。但由于傳統(tǒng)的鈦合金制備工藝耗能大、周期長(zhǎng)、材料利用率低等缺陷，導(dǎo)致鈦合金價(jià)格昂貴，阻礙其發(fā)展應(yīng)用。與傳統(tǒng)冶金工藝相比，粉末冶金技術(shù)由于具有近凈成形的優(yōu)勢(shì)，能夠顯著提高材料利用率，大大降低加工成本，并且能夠得到性能優(yōu)越、組織均勻、晶粒細(xì)小的鈦合金材料，因此成為推動(dòng)鈦合金發(fā)展的重要技術(shù)[3?5]。

TC4鈦合金具有良好的綜合力學(xué)性能，在軍工和民用等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。但隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，人們對(duì)材料性能的要求越來(lái)越高。由于合金化元素對(duì)粉末冶金鈦合金組織和性能具有重要影響[6]，預(yù)期Cr元素的加入會(huì)提高合金的抗壓強(qiáng)度等，但是由于普通燒結(jié)法制備的鈦合金致密度不高，因此本研究采用冷等靜壓+真空燒結(jié)+熱等靜壓(CHIP)方法制備不同Cr含量的Ti-6Al-4V(TC4)基合金，研究Cr含量對(duì)TC4組織與性能的影響，為其實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣的制備

實(shí)驗(yàn)所用原料為鈦粉、鋁粉、釩粉、鉻粉，平均粒徑為50 μm，鈦合金名義成分如表1所列。按照配比稱量粉末，混料處理后將粉末裝入橡膠包套，在冷等靜壓機(jī)中壓成生坯，壓力為300 MPa，保壓1 h。然后將壓坯置于真空度為1×10?5Pa的環(huán)境中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1 300 ℃、保溫3 h、隨爐冷卻。再將燒結(jié)坯放入熱等靜壓爐內(nèi)，抽真空并用Ar氣洗爐，加熱升壓，壓力110 MPa，溫度940 ℃，保溫1 h，隨爐冷卻。最終得到直徑40 mm，高70 mm的圓柱形試樣。

表1 實(shí)驗(yàn)合金的名義成分

1.2 性能測(cè)試與檢測(cè)

樣品密度采用阿基米德排水法測(cè)量，每組測(cè)量3個(gè)試樣，取平均值。試樣拋光后采用Kroll腐蝕劑(配比為HF:HNO3:H2O=1:3:7)進(jìn)行腐蝕，使用金相顯微鏡觀察試樣微觀組織。室溫壓縮和拉伸性能測(cè)試在日本島津AG-I250kN精密萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，壓縮測(cè)試的試樣尺寸為直徑6 mm、高7 mm，加載速率1 mm/min；拉伸實(shí)驗(yàn)參照GB/T228-2002“金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法”進(jìn)行，拉伸試樣的尺寸如圖1所示。用JSM- 5610LV型掃描電鏡觀察斷口的微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 合金的顯微組織分析

圖2所示為不同Cr含量的TC4鈦合金的微觀組織形貌。從圖2可以看出，由CHIP法制備的合金十分致密，孔隙基本消除，只有少許微小的球形封閉孔隙存在。圖2(a)、(b)分別為添加1%、2%Cr元素的TC4鈦合金微觀組織形貌，其組織主要由一些不連續(xù)的初生α相和β轉(zhuǎn)變組織構(gòu)成。其中初生α相的含量不足50%，且主要分布在β轉(zhuǎn)變組織的基體上。圖中的初生α相存在兩種形態(tài)：一種是片狀的α集束域，分布在β轉(zhuǎn)變組織中；另一種是等軸α相，分布在轉(zhuǎn)變?chǔ)陆M織間。在鈦合金中這種組織稱為雙態(tài)組織[7?8]。當(dāng)Cr含量增加到3%、4%時(shí)，合金的組織具有明顯的魏氏組織特征。從圖2(c)、(d)中可以看到完整清晰的β晶粒，連續(xù)的條狀α相分布在β晶界上，呈細(xì)針或粗針狀規(guī)則排列，β晶粒內(nèi)還存在片狀的α相集束 域[9?10]。

圖1 拉伸試樣

Cr元素含量的不同是導(dǎo)致鈦合金組織形貌不同的主要原因。Cr元素屬于β穩(wěn)定元素，能夠降低β相轉(zhuǎn)變溫度。Cr元素越多，β相轉(zhuǎn)變溫度越低。當(dāng)Cr元素含量為1%、2%時(shí)，β相轉(zhuǎn)變點(diǎn)下降較少，940 ℃處于兩相區(qū)上部，在加熱保溫后的緩慢冷卻過(guò)程中，可以得到雙態(tài)組織。隨Cr含量增多，β相轉(zhuǎn)變溫度逐漸下降，940 ℃會(huì)高于β相轉(zhuǎn)變溫度，這時(shí)加熱保溫，再緩慢爐冷就會(huì)得到針狀魏氏組織。

2.2 合金的相分析

圖3為不同Cr含量的TC4合金的XRD圖譜，由圖3可知：不同Cr含量的TC4合金均由α+β相組成，并沒(méi)有其它析出相生成。由于Cr元素是β相的同晶型元素，可以降低β相變點(diǎn)，提高β相的穩(wěn)定性，所以隨Cr含量增多，α相數(shù)量逐漸減少，β相數(shù)量逐漸增多。當(dāng)Cr含量為1%、2%時(shí)，2角為57°左右沒(méi)有衍射峰；當(dāng)Cr含量增加到4%時(shí)，2角為57°左右的衍射峰已能被清楚地看到，表明β相增加較為明顯。

2.3 合金的力學(xué)性能

2.3.1 Cr元素對(duì)TC4合金拉伸性能的影響

圖4為不同Cr含量的HIP態(tài)TC4合金抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率曲線。由圖可見(jiàn)，隨Cr含量增加，TC4合金的抗拉強(qiáng)度逐漸增加。添加4%的Cr元素時(shí)，抗拉強(qiáng)度最大為1 077 MPa。而合金的伸長(zhǎng)率隨Cr元素增加逐漸降低。當(dāng)Cr元素的含量為1%、2%時(shí)，鈦合金的塑性較好，伸長(zhǎng)率分別為15%、14%。這是由于添加1%、2%的Cr元素時(shí)，合金的組織為雙態(tài)組織，而鈦合金雙態(tài)組織具有較好的拉伸塑性。Cr含量為3%、4%時(shí)，鈦合金的組織變?yōu)槲菏辖M織，合金的伸長(zhǎng)率明顯下降。

圖2 940 ℃時(shí)不同Cr含量的TC4合金微觀組織形貌

圖3 不同Cr含量的TC4合金的X射線衍射譜

圖4 不同Cr含量TC4合金的抗拉強(qiáng)度與延伸率

圖5為不同Cr含量TC4合金的拉伸斷口形貌。由圖5可知，4種斷口形貌中解理面與韌窩混合在一起，屬于解理+韌窩的“混合型”斷裂[11?13]。在這種斷裂方式中，解理面往往在初生α0相上形成，而發(fā)展不完全的韌窩在β相中形成。圖5(a)、(b)中標(biāo)出了由初生α0相形成的解理面和β相形成的韌窩。當(dāng)Cr含量為1%時(shí)，韌窩較多，解理面較少；隨Cr含量增加，韌窩逐漸減少、變淺，解理面變大，且數(shù)量增多，3%Cr時(shí)合金出現(xiàn)了一個(gè)較大的解理面，如圖(c)中箭頭所指區(qū)域；4%Cr時(shí)，合金的韌窩最少、最淺，解理面較多，合金伸長(zhǎng)率明顯弱于1%和2%Cr含量時(shí)的TC4合金。這表明TC4合金中Cr含量在1%~4%之間時(shí)Cr元素含量越高，TC4合金的韌性越低。

圖5 不同Cr含量TC4合金的拉伸斷口形貌

2.32 Cr元素對(duì)TC4合金壓縮性能的影響

粉末壓制合金抗壓強(qiáng)度的大小，可衡量粉末成形性能的優(yōu)劣[14]。對(duì)CHIP態(tài)的不同Cr含量的TC4合金進(jìn)行抗壓強(qiáng)度與致密度的測(cè)試，結(jié)果如圖6所示。隨Cr含量增加，合金抗壓強(qiáng)度逐漸增加。1%Cr時(shí)，合金的抗壓強(qiáng)度為1 584 MPa；2%Cr時(shí)，抗壓強(qiáng)度增加到1 632 MPa。Cr元素的添加明顯提高TC4合金的抗壓性能。添加4%Cr時(shí)，合金的抗壓強(qiáng)度達(dá)到1 705 MPa，與Cr含量為3%時(shí)相比，抗壓強(qiáng)度增加較少。所以Cr元素的添加，能夠提高粉末的成形性能。

圖6 不同Cr含量的TC4合金的抗壓強(qiáng)度與致密度

相關(guān)研究表明，隨合金致密度降低，其強(qiáng)度會(huì)呈指數(shù)趨勢(shì)下降[12]。由圖6可知，隨Cr含量增加，合金的致密度基本不變，Cr含量為4%時(shí)，合金致密度為99.537%；而結(jié)合圖4可知，抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度卻升高。這主要是由于Cr元素的添加對(duì)TC4合金起到固溶強(qiáng)化作用，且能夠顯著增強(qiáng)合金的抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度。所以對(duì)于1%~4%Cr含量的TC4合金，其抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度隨Cr元素增加而升高。

圖7為不同Cr含量的TC4鈦合金壓縮斷口形貌。由圖7可見(jiàn)，不同Cr含量的TC4鈦合金的試樣斷口均存在一些剪切韌窩，其中Cr含量為1%、2%的鈦合金韌窩較多，Cr含量為3%、4%的合金韌窩較少。圖7(a)中A為剪切韌窩，圖7(b)中B為剪切唇區(qū)。觀察發(fā)現(xiàn)合金剪切方向與裂紋擴(kuò)展方向成45°角。韌窩大多數(shù)呈拋物線形，其弧頂指向斷裂根部的裂紋生核點(diǎn)，所有韌窩與剪切方向平行，斷口上剪切韌窩的長(zhǎng)軸均指向同一方向，且與匹配斷口的剪切韌窩長(zhǎng)軸指向相反，這些均是剪切韌窩的特征。比較4種合金的綜合性能，Cr含量為2%時(shí)，合金性能較好。

圖7 不同Cr含量的TC4合金壓縮斷口形貌

2.4 透射電鏡分析

相關(guān)研究表明：TiCr2是含Cr鈦合金的一種主要析出相，它一般沿α/β界面，以顆粒狀析出。TiCr2會(huì)增大合金的脆性，對(duì)合金的性能影響很大[14]。TiCr2相主要出現(xiàn)在Cr＜5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鈦合金中。圖8所示為Cr含量為2%的TC4合金的TEM像、對(duì)應(yīng)的電子衍射花樣及能譜分析。圖8(a)、(b)分別為合金不同部位的TEM像，結(jié)合輔助軟件MDI Jade 5.0標(biāo)定圖(a)中的白色區(qū)域A和圖(b)中黑色條狀區(qū)域B，圖(c)、(d)的衍射花樣分別對(duì)應(yīng)圖(a)中白色區(qū)域A和圖(b)中黑色區(qū)域B，圖(e)、(f)分別是圖(a)中白色區(qū)域A和圖(b)黑色區(qū)域B的能譜分析。通過(guò)電子衍射花樣標(biāo)定，圖8(c)、(d)分別為α-Ti、β-Ti的衍射斑點(diǎn)。圖8(c)對(duì)應(yīng)的衍射斑點(diǎn)是晶帶軸為[1100]內(nèi)的晶面，對(duì)該圖進(jìn)行標(biāo)定可知，合金中α-Ti的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)為密排六方結(jié)構(gòu)，點(diǎn)陣常數(shù)為：＝0.295 1 nm，＝0.468 4 nm；圖8(d)中的電子束入射方向?yàn)棣?Ti的[131]，β-Ti的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)為體心立方結(jié)構(gòu)，點(diǎn)陣常數(shù)為：=0.328 2 nm。由能譜分析可知，A區(qū)中含有較多Al元素，而B(niǎo)區(qū)中含有較多V和Cr元素。這是由于A區(qū)為α相，能夠溶解較多的α穩(wěn)定元素(如Al元素)，而B(niǎo)區(qū)為β穩(wěn)定元素，能夠溶解較多的β穩(wěn)定元素(如V、Cr元素)。觀察圖8(a)、(b)可知，添加2%Cr的TC4合金中只有α相和β相存在，在α/β界面(白色區(qū)域A和黑色區(qū)域B的交接處)并未有顆粒狀的TiCr2相析出。同時(shí)結(jié)合不同Cr含量的TC4合金的X射線衍射圖譜(圖3)可知：試驗(yàn)所制備的2%Cr含量TC4合金中只存在α+β相，沒(méi)有其它析出相生成。

圖8 合金不同部位的TEM及能譜分析

3 結(jié)論

1) 當(dāng)Cr元素含量為1%、2%時(shí)，TC4合金為雙態(tài)組織。當(dāng)Cr含量為3%、4%時(shí)，該合金組織具有魏氏組織的特征。

2) 隨Cr元素增加，TC4合金的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度增大，伸長(zhǎng)率下降。由CHIP法制備的Cr含量為2%的TC4合金，抗拉強(qiáng)度為982 MPa，伸長(zhǎng)率為14%，抗壓強(qiáng)度為1 632 MPa，其綜合力學(xué)性能較好。

3) 不同Cr含量的TC4合金，其拉伸斷口具有較多韌窩和少量解理面，屬于解理+韌窩的“混合型”斷裂。壓縮斷口具有較多剪切韌窩。Cr含量為2%時(shí)，鈦合金斷口的韌窩較多，韌性較好。

4) 2%Cr含量TC4合金中只存在α+β相，α/β界面處沒(méi)有硬脆相TiCr2析出。

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(編輯 高海燕)

Effect of Cr element addition on microstructure and mechanical properties of powder metallurgy TC4 alloy

ZHANG Hao-yin1, ZHU Yao-min1, 2, WANG Wen-yan1, 2, XIE Jing-pei1, 2, XU Jian1, YUAN Ya-sha1, XU Kai-hui1

(1. School of Material Science and Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China;2. Collaborative Innovation Center of Nonferrous Metals, Luoyang 471003, China)

Ti-6Al-4V(TC4) alloy with different Cr contents was prepared by the method of cold isostatic pressing+vacuum sintering+hot isostatic pressing (CHIP).The effect of Cr content on the microstructures and mechanical properties of Ti-6Al-4V alloys was studied using optical microscope, mechanical properties test, SEM and TEM analyese. The results show that with increasing of Cr content, the tensile strength and compressive strength of TC4 alloy gradually increase, but elongation decreases gradually. When Cr element content is 2%, the tensile strength of TC4 alloy is 982 MPa, the compressive strength is 1 632 MPa and the elongation is 14%. The alloy has better comprehensive mechanical properties.

titanium alloys; powder metallurgy; microstructure; mechanical properties

TF125.22

A

1673-0224(2015)3-383-07

河南省重大科技專項(xiàng)(102105000007)

2014-03-21；

2014-05-04

祝要民，教授，博士。電話：15643892228；E-mail: z.ym59@163.com