張金贊
(1.河北建材職業(yè)技術學院材料系,河北秦皇島066004; 2.燕山大學亞穩(wěn)材料制備技術與科學國家重點實驗室,河北秦皇島066004)
放電等離子燒結Ti-6Al-4V的組織與性能研究
張金贊1,2
(1.河北建材職業(yè)技術學院材料系,河北秦皇島066004; 2.燕山大學亞穩(wěn)材料制備技術與科學國家重點實驗室,河北秦皇島066004)
本研究中,利用放電等離子燒結(SPS)技術對Ti-6Al-4V(TC4)粉末進行快速燒結,并對燒結體進行顯微組織分析、密度與硬度的測試。研究結果表明:TC4粉末經SPS燒結,獲得了組織細小、均勻的燒結體;隨燒結溫度升高,燒結體的顯微組織由等軸狀組織變?yōu)槲菏辖M織;經SPS燒結獲得的TC4塊體較鑄造制備的塊體,硬度提升了40%以上,其中1 000℃燒結時硬度達到最大值HV100g511。SPS技術實現了高致密度TC4合金的快速燒結,燒結產物晶粒細小,組織均勻,且力學性能大幅度提高。本方法為快速制備高性能的鈦合金提供了一條可行的工藝路徑。
Ti-6Al-4V;放電等離子燒結;顯微組織;硬度
Ti-6Al-4V(TC4)是一種典型的α+β型鈦合金,由于具有比重輕、比強度高、耐蝕性好、高彈性模量、抗氧化強、綜合力學性能良好等特性,其廣泛應用在航空航天和汽車制造領域[1]。但是傳統(tǒng)熔鑄法較高的提煉和加工成本,嚴重的制約了其使用。而具有組織細小均勻、成分可控、近凈成形等眾多優(yōu)點的粉末冶金技術,能夠有效降低成本,提高成材率,是制造低成本鈦合金的理想工藝之一[2]。
放電等離子燒結(SPS)是一種新穎的粉末冶金方式,具有升溫速度快、燒結時間短、組織結構可控、冷卻迅速、加熱均勻等特點,能有效抑制燒結體晶粒長大,獲得組織細小均勻的塊體[3-7]。近年來,研究者在利用SPS技術處理TC4方面進行了大量的研究。Saeid GHESMATITABRIZI等[8]利用TC4與B4C的混合粉末,通過SPS技術制備了原位TiB晶須增強的TC4合金,產物致密度較高具有優(yōu)異性能。
M.Kon等[9]利用經鈣離子水熱處理后的TC4粉末進行SPS燒結,獲得了顆粒細小的TC4塊體,有效提高了其生物活性。本研究利用SPS技術在TC4的β相相變溫度(995℃)[10]附近(900~1 100℃)對原始TC4粉末進行燒結,并對燒結塊體進行物相、微觀組織、密度和硬度研究。
1.1 試樣制備
以TC4粉末(西北有色金屬研究院提供,粒度為325目)為原料,利用SPS-3.20MK-Ⅳ型(日本住友石炭礦業(yè)株式會社)放電等離子燒結裝置對TC4粉末進行燒結制備塊體:取適量TC4粉末放入內徑為20.4 mm的高強度石墨模具中,粉末外包0.2 mm的石墨紙防止試樣與模具的粘結,經預壓后,放入SPS裝置中。采用真空加壓燒結模式(V≤3 Pa;P=50 MPa),升溫速率為100℃/min,燒結溫度分別為900℃、1 000℃、1 100℃,保溫時間為5 min,燒結完畢即撤除壓力,并在真空條件下隨爐冷卻,降溫速率大約為120℃/min。
1.2 試驗方法
TC4塊體經打磨拋光后,采用D/Max-2500PC型(日本Rigaku公司)X射線衍射儀,進行掃描獲得X射線衍射(XRD)圖譜,其中靶材為Cu靶,管流管壓分別為200 mA、40 kV,掃描速度為4°/min;利用硝酸與氫氟酸的混合溶液進行腐蝕后,采用金相顯微鏡進行顯微組織分析,并利用網格法結合體視學公式及截線法計算α相的等效直徑或層片厚度[11];利用阿基米德法測量密度;利用FM700型硬度測試系統(tǒng)(日本Future-Tech公司)對拋光處理后的塊體進行硬度測試,其中載荷為1 N、保持時間為10 s,每個試樣取十處點測試,并取其平均值作為樣品的最終硬度值。
2.1 顯微結構分析
圖1為原始TC4粉末在不同溫度下燒結體的XRD圖譜。分析可知,原始TC4粉體與燒結產物主要由α-Ti(α相)與β-Ti(β相)兩相組成;在SPS的高溫真空燒結過程中,有少量Ti3Al[12-15]生成;在1 100℃燒結的TC4塊體中,由于高溫時發(fā)生β相變,原來α相中固溶的Al擴散出來,而SPS燒結時,其降溫速率較快,Al來不及再次固溶于α相中,最終導致單質Al存在。
圖1 不同溫度下燒結樣品的XRD圖譜Fig.1XRD patterns of TC4 sintered at different temperatures
在TC4的α+β等軸組織中,α相含量(體積分數)較高,β相鑲嵌在α相基體中。相關研究表明,TC4合金在相變點(995℃)以下短時間加熱,顯微組織變化不大[16]。如圖2a所示,在900℃燒結的TC4塊體中,白色的等軸狀α相與β相界不明顯,主要為較粗大的等軸狀α相,β相鑲嵌在α相基體中。TC4合金在相變點以上加熱,無論加熱時間長短,顯微組織都發(fā)生變化。當燒結溫度為1 000℃時,產生相的重結晶,再結晶生成等軸狀組織。如圖2b所示,1 000℃燒結TC4塊體中,α相為細小的等軸狀,β相含量增多,相界清晰。當燒結溫度為1 100℃時,β相晶??焖匍L大,出現新的晶界,α相轉變?yōu)棣孪啵诮禍剡^程中,α相在β晶界上成核,然后以層片狀長大進入β晶粒內。圖2c與2d分別為1 100℃燒結TC4塊體在低、高倍鏡下的金相照片,α相呈條狀有規(guī)則排列,β相薄片分布在粗大淺色的α相層片周圍,屬于魏氏組織。另外,從金相照片上可以看出,樣品中組織分布均勻,沒有孔洞存在。
用熔鑄法生產的TC4鑄件,在結晶過程中,晶體生長速度大于晶核形成速度,其傾向于形成粗大的顆粒組織。SPS的燒結過程是大直流脈沖電流在短時間內將樣品燒結的過程。燒結所加的脈沖電流除少部分通過石墨模具,由外而內對樣品進行加熱外,大部分直接通過樣品,不僅能夠在樣品內部產生大量的焦耳熱,而且等離子放電還能夠使粉末得到凈化與活化。斷續(xù)的高頻脈沖電流不僅擊穿了TC4粉末表面的氧化膜,使粉末表面吸附的氣體逸出,而且使粉末顆粒間隙放電、產生局部高溫、以及粉末內產生的大量焦耳熱,這些都促進了粉末顆粒表面的原子擴散,從而大大降低了燒結溫度、縮短了燒結時間。由于SPS燒結過程中粉末顆粒表面能高、擴散系數增大、而且燒結是在極短時間內完成的,所以能有效抑制晶粒的長大,實現晶粒的細化。另外,在脈沖電流的作用下,粉末內放電、發(fā)熱部位較多,并且快速移動,從而實現了燒結的均勻化。
圖2 不同溫度下燒結樣品的微觀組織Fig.2Microstructures of TC4 sintered at different temperatures
對燒結塊體的金相照片,利用網格法與體視學公式計算900℃、1 000℃燒結樣品中等軸狀α相的等效直徑。900℃燒結的樣品中,等軸狀α相的晶粒尺寸為5μm左右。1 000℃燒結的樣品中,由于SPS燒結的降溫速度較快,退火時間短,再結晶生成的等軸狀組織沒有粗化,等軸狀α相的晶粒尺寸為2 μm左右。利用截線法測得1 100℃燒結樣品中層片狀α相的厚度在3.5 μm左右。而且在不同溫度下燒結的TC4樣品,晶粒尺寸都比較均勻。利用SPS技術燒結的TC4塊體,組織的細小化、均勻化為其優(yōu)異的力學性能提供了基礎。
2.2 性能分析
TC4燒結體的密度與燒結溫度的變化關系如表1所示,分析可知:在該溫度區(qū)間燒結,由于燒結體中含有少量相對密度較高的Ti3Al(4.7g· cm-3),其密度均略高于TC4的理論密度。而且隨著燒結溫度的升高,由于所生成Ti3Al的量有所增加,導致燒結體的密度具有小幅度的提高。
表1 燒結樣品密度、硬度隨燒結溫度的變化Tab.1Hardness and density of TC4 sintered at different temperatures
表1中燒結體維氏硬度與燒結溫度的變化關系表明:900℃燒結TC4塊體的維氏硬度HV1 00g493與1 000℃下的HV100g495相當,1 000℃燒結TC4塊體的維氏硬度為HV100g511,較900℃燒結時的硬度提高3.65%。這是由于燒結溫度由900℃升到1000℃時,等軸狀組織細化,α相平均晶粒尺寸由5 μm降低到2 μm,晶粒的細化提高了TC4塊體的強韌性,使得硬度增加;燒結溫度由1 000℃升高到1 100℃時,其顯微結構由等軸狀組織變?yōu)榱说退苄缘奈菏辖M織,相應的α相的尺寸由2 μm增大到3.5 μm,其硬度略有降低。
以TC4粉末為原料,利用升溫迅速、燒結時間短、冷卻迅速、加熱均勻的SPS燒結技術,制得了組織細小均勻的TC4塊體。不同溫度燒結,其α相晶粒尺寸均在10 μm以下,較常規(guī)的熔鑄方法制備的TC4鑄件,α相晶粒尺寸降低了1個數量級。根據Hall-petch關系,晶粒尺寸的減小能夠有效提高材料的硬度和強度,SPS技術大大提高了TC4塊體的硬度,其較標準維氏硬度349(AMS4928)提高40%以上。
(1)利用SPS技術制備TC4的塊體,晶粒較細,組織均勻,硬度大大提高,超過AMS4928標準40%以上,在1 000℃燒結時,硬度值最高,達到HV100g511。
(2)利用SPS技術制備TC4塊體,在1 000℃燒結時,通過再結晶實現了等軸狀組織的細化;在1 100℃燒結時,塊體內為魏氏組織。通過控制燒結溫度,可以有效的控制燒結塊體內的組織。
(3)利用SPS技術制備的TC4塊體,隨著燒結溫度的升高,密度有所提高,燒結溫度由900℃提升到1 100℃,燒結體的密度提高了0.5%。
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Microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V prepared by spark plasma sintering
ZHANG Jin-Zan1,2
(1.Hebei Vocational and Technical College of Building Materials,Qinhuangdao 066004,China; 2.State Key Laboratory of Metastable Materials Science&Technology,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China)
Dense Ti-6Al-4V(TC4)was prepared by Spark Plasma Sintering(SPS)of TC4 powders.microstructure,density and hardness of sintered samples were measured.The results show that the TC4 powder was sintered by SPS to obtain a fine and uniform microstructure.With the increase of sintering temperatures,a microstructural change from equiaxed to widmanststten structures was observed to occur.The vickers hardness changes slightly with the increase of temperatures,with a typical value of 511(HV100g),which is~140%of the value observed in the forged samples.This was attributed to the fine and uniformly distributed microstructrures formed by the SPS technique.
Ti-6Al-4V;spark plasma sintering;microstructure;hardness
TG146.2+3
A
1001-196X(2017)01-0035-04
2016-09-08;
2016-11-23
亞穩(wěn)材料制備技術與科學國家重點實驗室開放課題(201704)
張金贊(1981-),女,河北建材職業(yè)技術學院材料系高級工程師,主要研究方向為高強度合金材料。