放電等離子燒結(jié)Ti－6Al－4V的組織與性能研究

張金贊

(1．河北建材職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料系，河北秦皇島066004; 2．燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點實驗室，河北秦皇島066004)

放電等離子燒結(jié)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(shù)學(xué)院材料系，河北秦皇島066004; 2．燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)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(jié)(SPS)技術(shù)對Ti－6Al－4V(TC4)粉末進行快速燒結(jié)，并對燒結(jié)體進行顯微組織分析、密度與硬度的測試。研究結(jié)果表明:TC4粉末經(jīng)SPS燒結(jié)，獲得了組織細小、均勻的燒結(jié)體;隨燒結(jié)溫度升高，燒結(jié)體的顯微組織由等軸狀組織變?yōu)槲菏辖M織;經(jīng)SPS燒結(jié)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(jié)時硬度達到最大值HV100g511。SPS技術(shù)實現(xiàn)了高致密度TC4合金的快速燒結(jié)，燒結(jié)產(chǎn)物晶粒細小，組織均勻，且力學(xué)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(jié);顯微組織;硬度

0 前言

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(xué)性能良好等特性，其廣泛應(yīng)用在航空航天和汽車制造領(lǐng)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(shù)，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(jié)(SPS)是一種新穎的粉末冶金方式，具有升溫速度快、燒結(jié)時間短、組織結(jié)構(gòu)可控、冷卻迅速、加熱均勻等特點，能有效抑制燒結(jié)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(shù)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(shù)制備了原位TiB晶須增強的TC4合金，產(chǎn)物致密度較高具有優(yōu)異性能。

M.Kon等［9］利用經(jīng)鈣離子水熱處理后的TC4粉末進行SPS燒結(jié)，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(shù)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(jié)，并對燒結(jié)塊體進行物相、微觀組織、密度和硬度研究。

1 試樣制備及試驗方法

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(jié)裝置對TC4粉末進行燒結(jié)制備塊體:取適量TC4粉末放入內(nèi)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(jié)，經(jīng)預(yù)壓后，放入SPS裝置中。采用真空加壓燒結(jié)模式(V≤3 Pa;P=50 MPa)，升溫速率為100℃/min，燒結(jié)溫度分別為900℃、1 000℃、1 100℃，保溫時間為5 min，燒結(jié)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(jīng)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(wǎng)格法結(jié)合體視學(xué)公式及截線法計算α相的等效直徑或?qū)悠穸龋?1］;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 實驗結(jié)果與討論

2.1 顯微結(jié)構(gòu)分析

圖1為原始TC4粉末在不同溫度下燒結(jié)體的XRD圖譜。分析可知，原始TC4粉體與燒結(jié)產(chǎn)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(jié)過程中，有少量Ti3Al［12－15］生成;在1 100℃燒結(jié)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(jié)時，其降溫速率較快，Al來不及再次固溶于α相中，最終導(dǎo)致單質(zhì)Al存在。

圖1 不同溫度下燒結(jié)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(shù))較高，β相鑲嵌在α相基體中。相關(guān)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(jié)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(jié)溫度為1 000℃時，產(chǎn)生相的重結(jié)晶，再結(jié)晶生成等軸狀組織。如圖2b所示，1 000℃燒結(jié)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(jié)溫度為1 100℃時，β相晶粒快速長大，出現(xiàn)新的晶界，α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，在降溫過程中，α相在β晶界上成核，然后以層片狀長大進入β晶粒內(nèi)。圖2c與2d分別為1 100℃燒結(jié)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(chǎn)的TC4鑄件，在結(jié)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(jié)過程是大直流脈沖電流在短時間內(nèi)將樣品燒結(jié)的過程。燒結(jié)所加的脈沖電流除少部分通過石墨模具，由外而內(nèi)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(nèi)部產(chǎn)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(chǎn)生局部高溫、以及粉末內(nèi)產(chǎn)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(jié)溫度、縮短了燒結(jié)時間。由于SPS燒結(jié)過程中粉末顆粒表面能高、擴散系數(shù)增大、而且燒結(jié)是在極短時間內(nèi)完成的，所以能有效抑制晶粒的長大，實現(xiàn)晶粒的細化。另外，在脈沖電流的作用下，粉末內(nèi)放電、發(fā)熱部位較多，并且快速移動，從而實現(xiàn)了燒結(jié)的均勻化。

圖2 不同溫度下燒結(jié)樣品的微觀組織Fig.2Microstructures of TC4 sintered at different temperatures

對燒結(jié)塊體的金相照片，利用網(wǎng)格法與體視學(xué)公式計算900℃、1 000℃燒結(jié)樣品中等軸狀α相的等效直徑。900℃燒結(jié)的樣品中，等軸狀α相的晶粒尺寸為5μm左右。1 000℃燒結(jié)的樣品中，由于SPS燒結(jié)的降溫速度較快，退火時間短，再結(jié)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(jié)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(jié)的TC4樣品，晶粒尺寸都比較均勻。利用SPS技術(shù)燒結(jié)的TC4塊體，組織的細小化、均勻化為其優(yōu)異的力學(xué)性能提供了基礎(chǔ)。

2.2 性能分析

TC4燒結(jié)體的密度與燒結(jié)溫度的變化關(guān)系如表1所示，分析可知:在該溫度區(qū)間燒結(jié)，由于燒結(jié)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(jié)溫度的升高，由于所生成Ti3Al的量有所增加，導(dǎo)致燒結(jié)體的密度具有小幅度的提高。

表1 燒結(jié)樣品密度、硬度隨燒結(jié)溫度的變化Tab.1Hardness and density of TC4 sintered at different temperatures

表1中燒結(jié)體維氏硬度與燒結(jié)溫度的變化關(guān)系表明:900℃燒結(jié)TC4塊體的維氏硬度HV1 00g493與1 000℃下的HV100g495相當，1 000℃燒結(jié)TC4塊體的維氏硬度為HV100g511，較900℃燒結(jié)時的硬度提高3.65%。這是由于燒結(jié)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(jié)溫度由1 000℃升高到1 100℃時，其顯微結(jié)構(gòu)由等軸狀組織變?yōu)榱说退苄缘奈菏辖M織，相應(yīng)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(jié)時間短、冷卻迅速、加熱均勻的SPS燒結(jié)技術(shù)，制得了組織細小均勻的TC4塊體。不同溫度燒結(jié)，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(shù)量級。根據(jù)Hall-petch關(guān)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(shù)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。

3 結(jié)論

(1)利用SPS技術(shù)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(jié)時，硬度值最高，達到HV100g511。

(2)利用SPS技術(shù)制備TC4塊體，在1 000℃燒結(jié)時，通過再結(jié)晶實現(xiàn)了等軸狀組織的細化;在1 100℃燒結(jié)時，塊體內(nèi)為魏氏組織。通過控制燒結(jié)溫度，可以有效的控制燒結(jié)塊體內(nèi)的組織。

(3)利用SPS技術(shù)制備的TC4塊體，隨著燒結(jié)溫度的升高，密度有所提高，燒結(jié)溫度由900℃提升到1 100℃，燒結(jié)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(shù)與科學(xué)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(shù)學(xué)院材料系高級工程師，主要研究方向為高強度合金材料。