粉末冶金Ti-3Al-5Mo-4.5V(TC16)合金的制備與力學(xué)性能

向澤陽，許榮君，劉彬，劉詠

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粉末冶金Ti-3Al-5Mo-4.5V(TC16)合金的制備與力學(xué)性能

向澤陽，許榮君，劉彬，劉詠

(中南大學(xué) 粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410083)

以Ti粉、Al-V合金粉及Mo粉為原料，通過冷等靜壓和真空燒結(jié)制備Ti-3Al-5Mo-4.5V(TC16)合金，并對(duì)該合金的組織與力學(xué)性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明，粉末冶金TC16合金具有由α相和β相組成的網(wǎng)籃組織，相對(duì)密度約為93.5 %，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率分別為1062 MPa，973 MPa和2.3%，關(guān)鍵性能(屈服強(qiáng)度)達(dá)到鑄造TC16合金水平。

粉末冶金；鈦合金；相對(duì)密度；微觀組織；力學(xué)性能

鈦合金的密度小(4.51 g/cm3, 約為鋼的40%)、強(qiáng)度高(可達(dá)到1 000 MPa以上)、抗疲勞性能好(疲勞極限是鋼的2倍)、抗腐蝕性能和生物相容性優(yōu)異[1?2]，一直享有“太空金屬”、“海洋金屬”等美譽(yù)，在航空航天、汽車和生物醫(yī)用等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[3?4]。Ti-3Al-5Mo-4.5V(TC16)合金是我國鈦合金緊固件常用的材料之一，不但具有良好的強(qiáng)度和韌性，而且還有良好的冷/熱加工性能。目前我國對(duì)TC16合金的研究主要集中于合金熔鑄工藝、熱處理工藝跟合金組織與性能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及合金的冷/熱變形行為(軋制、拉拔、冷鐓等)方面。張志強(qiáng)等[5]研究了淬火對(duì)TC16合金組織的影響，發(fā)現(xiàn)在700 ℃淬火后TC16合金由初生α相、β相和少量ω相組成，提高淬火溫度，合金出現(xiàn)β→α″的馬氏體相變。吳崇周等[6?7]研究了熱處理對(duì)變形TC16合金組織與性能的影響，發(fā)現(xiàn)退火處理過程中發(fā)生了纖維組織向等軸組織的轉(zhuǎn)變，隨退火時(shí)間延長，屈服強(qiáng)度下降，生產(chǎn)率升高。李康等[8]研究發(fā)現(xiàn)TC16合金具有較好的冷鐓變形能力，冷鐓變形量大于25%時(shí)發(fā)生明顯的組織細(xì)化。以上研究的TC16合金均采用鑄錠冶金工藝制備。常規(guī)鑄錠冶金工藝制備鈦合金過程包括多次真空自耗熔煉、開坯鍛造、多火次加工變形等多道次工藝，工藝流程長，熔煉及高溫鍛造的能量消耗大，設(shè)備投入驚人，使得鑄錠冶金TC16合金成本普遍較高。粉末冶金法具有原料成本低、工藝流程短、能量消耗小、設(shè)備投入小等優(yōu)點(diǎn)，可顯著降低材料成本[9?13]，對(duì)于某些形狀復(fù)雜零部件，采用粉末冶金工藝可降低成本50%~70%，是制備低成本鈦合金的潛在技術(shù)之一。目前采用粉末冶金方法制備TC16合金的研究還未見報(bào)道。本文以Ti粉、Al-V合金粉和Mo粉為原料，采用冷等靜壓?真空燒結(jié)工藝制備粉末冶金TC16合金棒材，并研究粉末冶金TC16合金的微觀組織及力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料粉末

本研究采用的原料粉末為元素Ti粉、Mo粉和Al-V合金粉。用LECO-TCH 600碳氧氮硫分析儀分析粉末的雜質(zhì)元素含量，結(jié)果列于表1。從表中可看出，原料粉末的主要雜質(zhì)元素為O，其中Ti粉的O含量較高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.35 %。圖1所示為原料粉末的粒徑分布，由圖可知，Ti粉的平均粒徑約為37 μm，Al-V合金粉的平均粒徑約為54 μm，Mo粉的平均粒徑約為22 μm。粉末的SEM形貌如圖2所示。

表1 原料粉末的雜質(zhì)含量

圖1 原料粉末的粒徑分布圖

(a) Ti powder; (b) Al-V powder; (c) Mo powder

3種粉末均呈現(xiàn)不規(guī)則的形狀，未出現(xiàn)明顯團(tuán)聚，不同粒度與不同形貌的粉末有望提高合金的壓制和燒結(jié)密度，對(duì)提高材料的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能有積極作用。

1.2 粉末冶金TC16合金的制備

按TC16合金的名義成分Ti-3Al-5Mo-4.5V (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)稱取Ti粉、Al-V粉及Mo粉，于V型混料機(jī)上混合均勻，混料時(shí)間為8 h，用氬氣保護(hù)。將混合粉末裝入橡膠套筒中進(jìn)行冷等靜壓成形，壓力為180 MPa，保壓時(shí)間為2 min，壓套尺寸(直徑×長度)為50 mm×500 mm。將冷等靜壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，真空度<5×10?3Pa，燒結(jié)溫度為1 250 ℃，保溫時(shí)間2 h，隨爐冷卻，得到粉末冶金TC16合金棒材。圖3所示為TC16合金棒材的宏觀形貌，可見燒結(jié)后的TC16合金具有明顯的金屬光澤。

圖2 原料粉末的SEM形貌

(a), (b) Ti powder; (c), (d) Al-V powder; (e), (f) Mo powder

圖3 粉末冶金TC16棒材的宏觀形貌

1.3 性能檢測

用阿基米德排水法測定粉末冶金TC16合金的密度，每個(gè)狀態(tài)取3個(gè)試樣進(jìn)行測定，測試前用砂紙打磨，去掉表面氧化層。采用LECO- TCH 600碳氧氮硫分析儀分析合金的雜質(zhì)元素含量。用RigakuD/ MAx255oVB+型X射線衍射儀對(duì)合金進(jìn)行相組成分析，工作電壓為40 kV，管電流為30 mA，掃描速度為1 (°)/min，衍射角范圍為2°~90°。用美國FEI公司的Quanta FEG 250場發(fā)射掃描電鏡觀察合金的顯微組織和拉伸斷口形貌，為使斷口清潔，觀察前用超聲波清洗器清洗。按照國標(biāo)GB/T228—2002中的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)備拉伸試樣，試樣標(biāo)距段尺寸(直徑×長度)為5 mm×25mm，每個(gè)狀態(tài)取3個(gè)試樣，在WSM-100KN型萬用拉伸機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為1 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀組織

粉末冶金Ti-3Al-5Mo-4.5V(TC16)合金的Al、Mo當(dāng)量用下式計(jì)算[14]：

[Al]eq=[Al]+0.17[Zr]+0.33[Sn]+10[O] (1)

[Mo]eq=[Mo]+0.2[Ta]+0.28[Nb]+0.4[W]+0.67[V]+

1.25[Cr]+1.25[Ni]+1.7[Mn]+1.7[Co]+2.5[Fe] (2)

用式(1)和(2)計(jì)算出該鈦合金的Al當(dāng)量[Al]eq為6.3，Mo當(dāng)量[Mo]eq為8.1，由此推測該合金為α+β雙相鈦合金。圖4所示為粉末冶金TC16合金的XRD譜，由圖可見，該合金由α和β兩相組成，這與計(jì)算結(jié)果一致。

圖5所示為TC16合金的SEM微觀組織，表2所列為該合金的密度與氧含量。由圖5可見，TC16合金具有由α相和β相組成的網(wǎng)籃組織，其中的灰黑色相為α相，白色相為β相。α相層片間距小于1 μm。在燒結(jié)的冷卻過程中，α層片從原始β相的晶界開始形核，以一定的方向朝著β晶粒內(nèi)部生長，形成具有相同位向的α片層集束，從而形成網(wǎng)籃組織[15]。細(xì)小的網(wǎng)籃組織具有良好的抗蠕變性能，但會(huì)降低材料的塑性。此外，從圖5還觀察到少量殘留的圓形孔隙，孔隙尺寸約為2~10 μm。從表2看出粉末冶金TC16合金具有較高的密度，平均密度達(dá)到93.5%，合金的平均氧含量為0.33%，與原料粉末的氧含量相比變化 不大。

圖4 粉末冶金TC16合金的XRD譜

圖5 粉末冶金TC16合金的SEM形貌

(a) Low magnification; (b) High magnification

表2 粉末冶金TC16合金的密度及氧含量

2.2 力學(xué)性能

圖6所示為粉末冶金TC16合金的拉伸真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線，拉伸性能列于表3。從表3可知粉末冶金TC16合金具有較好的力學(xué)性能，平均抗拉強(qiáng)度達(dá)1 062 MPa，平均屈服強(qiáng)度為973 MPa，平均伸長率為2.3%，強(qiáng)度達(dá)到了鑄造TC16合金的水平[7]。

圖7所示為粉末冶金TC16合金的拉伸斷口形貌。從圖中看出斷口處無明顯縮頸，斷口表面較粗糙，有少量韌窩，同時(shí)斷口處還能觀察到明顯的殘余孔隙。在拉伸過程中，殘余孔隙引起應(yīng)力集中，因此孔隙處易萌生裂紋并快速連通孔隙以釋放應(yīng)力，導(dǎo)致材料快速發(fā)生斷裂，可通過熱加工消除材料內(nèi)部孔隙，提高其致密度及塑性。

圖6 PM TC16合金的拉伸真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線

表3 粉末冶金TC16合金的力學(xué)性能

圖7 PM TC16合金的拉伸斷口形貌

(a) Low magnification; (b) High magnification

3 結(jié)論

1) 以Ti粉、Mo粉和Al-V合金粉為原料，通過冷等靜壓及真空燒結(jié)制備的粉末冶金TC16合金，具有由α相和β相組成的網(wǎng)籃組織，α相層片間距小于1 μm，合金的相對(duì)密度約為93.5%。

2) 粉末冶金TC16合金的強(qiáng)度接近鑄造TC16合金水平，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 062 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到973 MPa，伸長率為2.3%。

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(編輯 湯金芝)

Preparation and mechanical property of powder metallurgy Ti-3Al-5Mo-4.5V (TC16) alloy

XIANG Zeyang, XU Rongjun, LIU Bin, LIU Yong

(State Key Lab of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

Ti-3Al-5Mo-4.5V (TC16) alloy was prepared by powder metallurgy (PM) process with Ti powder, Al-V alloy powder and Mo powder as raw materials. The microstructure and mechanical properties of the powder metallurgy TC16 alloy were studied. The results show that the powder metallurgy TC16 alloys have a basketweave microstructure composed of α phase and β phase. The powder metallurgy TC16 alloy with the relative density of 93.5%, the tensile strength of 1 062 MPa, the yield strength of 973 MPa and the uniform elongation of 2.3% is obtained, in which the yield strength reachs the level of casted TC16 alloy.

powder metallurgy (PM); titanium alloy; relative density; microstructure; mechanical properties

TG146.2+3

A

1673-0224(2018)05-534-05

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014CB644002)；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2017JJ2311)

2018?03?12；

2018?04?25

劉彬，研究員，博士。電話：0731-88877669；E-mail: binliu@csu.edu.cn