氫化鈦粉和釩鋁合金粉直接燒結(jié)制取Ti-6Al-4V合金實驗研究

朱鈺玲，楊紹利，馬 蘭

(1.西華大學材料科學與工程學院，四川 成都 610039；2.攀枝花學院釩鈦學院，四川 攀枝花 617000)

從上個世紀50年代起，鈦及鈦合金因具有密度小、比強度高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空、化工、醫(yī)學、石油、電子、汽車、能源、建筑等多個領(lǐng)域中。目前在鈦合金工業(yè)領(lǐng)域中，使用最廣泛是Ti-6Al-4V合金[1]。

采用粉末冶金技術(shù)制備鈦合金，利用率幾乎可達100%，而且產(chǎn)品性能好，是降低鈦合金生產(chǎn)成本的重要途徑。采用氫化鈦粉代替鈦粉作為主要原料制備粉末冶金鈦材料已成為國內(nèi)外的研究熱點。烏克蘭的O.M.Ivasishin教授[2]等人使用氫化鈦粉代替普通鈦粉，研究了3種成分的合金，Ti-2.5Fe、Ti-5Al-2.5Fe以及Ti-5Mn，經(jīng)過了冷壓成形和真空燒結(jié)之后，粉末冶金制得的產(chǎn)品致密度達到了93%～99%。亞歷山大·莫利亞爾[3]等，提出了以氫化鈦為原料制備Ti-6Al-4V合金半成品的工藝，研究發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)后產(chǎn)生的孔隙可以通過后續(xù)軋制工藝消除，并且經(jīng)過軋制后合金的強度和塑性得到極大的提高。程新龍[4]等發(fā)現(xiàn)置氫燒結(jié)可明顯提高Ti、V、Al原子的擴散能力，使合金元素可進行更快地分布，加快并發(fā)生粗化現(xiàn)象，形成網(wǎng)狀組織結(jié)構(gòu)。

本文使用氫化鈦粉代替鈦粉作為原料，可有效降低成本，減少工藝流程，促進鈦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗原料

氫化鈦粉由攀枝花市某企業(yè)提供，鋁釩合金粉購自遼寧某材料公司。表1為氫化鈦粉化學成分，表2為鋁釩合金化學成分。

表1 TiH2化學成分(wt.%)Tab.1 TiH2 chemical composition (wt.%)

表2 鋁釩合金化學成分(wt.%)Tab.2 Chemical composition of aluminum-vanadium alloy (wt.%)

氫化鈦粉和鋁釩合金的平均粒徑為300目，粘結(jié)劑硬脂酸為化學純。

1.2 實驗方法

實驗采用預(yù)合金粉末冶金法，以氫化鈦粉、釩鋁合金粉為原料，其中氫化鈦粉占質(zhì)量百分比為90%，鋁釩合金粉占比10%?；旌虾蟮脑险婵諠衲? h，真空干燥6 h[5]。摻入占物料質(zhì)量的3%硬脂酸，壓制成型，在真空燒結(jié)爐中進行燒結(jié)，研究燒結(jié)溫度、保溫時間對Ti-6Al-4V合金性能的影響。

1.3 試樣性能檢測

對燒結(jié)后的TC4合金試樣進行以下性能檢測：(1) 顯微組織觀察，腐蝕液選擇1%HF+4%HNO3，使用金相顯微鏡(AFT-DC200)對試樣顯微組織進行觀察。(2) 密度及致密度檢測：使用密度測試儀(AR224CN)對密度進行檢測，對一個樣品進行兩次檢測，最后選擇平均值作為密度的最后結(jié)果。致密度為實際密度與理論密度的比值。(3) 硬度檢測：用維氏硬度機(HVS-50)對樣品進行硬度檢測。(4) 將試樣送至攀鋼集團攀枝花鋼鐵研究院有限公司檢測中心檢測成分，主要檢測Ti、Al、V、C、H、O、N、Fe、S、P的成分含量。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 化學成分

表3為Ti-6Al-4V合金化學成分國家標準和試樣化學成分，可以看出除了C、Fe超出了國家標準范圍，其余元素均在國家標準范圍內(nèi)，其中氫化鈦粉中的H元素脫除得較好；在真空條件下，溫度大于350 ℃時，氫化鈦分解，釋放出活性氫原子，活性氫原子能夠去除中間合金表面的氧化物，最后所得燒結(jié)體試樣中氧含量較低。C、Fe元素的含量超過了國家標準范圍，C元素含量高的原因可能是原料本身含有少量C，其次添加的粘結(jié)劑可能較多，原料和粘結(jié)劑中的C元素與Al、V、Ti會發(fā)生反應(yīng)，形成硬質(zhì)相；Fe含量較高，造成這種現(xiàn)象的原因可能是在檢測過程中，有Fe元素從取樣機器的鉆頭上脫除，或者是在樣品壓制成型時，從模具上混入了Fe元素，造成了Fe元素偏高的結(jié)果。

表3Ti-6Al-4V合金標準成分和試樣化學成分(wt.%)
Tab.3ChemicalcompositionofTi-6Al-4Valloysample(wt.%)

名稱AlVCNSi標準5.5～6.73.5～4.5<0.08<0.05<0.20試樣5.923.920.120.020.14名稱HOFeSP標準<0.015<0.20<0.20<0.20<0.20試樣0.00320.140.270.130.006

2.2 燒結(jié)溫度對Ti-6Al-4V合金的影響

2.2.1 燒結(jié)溫度對密度及致密度的影響

表4為不同燒結(jié)溫度的試樣密度及致密度，Ti-6Al-4V合金標準密度為4.4 g/cm3。從表4可以看出，燒結(jié)溫度在1180～1220 ℃范圍內(nèi)，隨著燒結(jié)溫度的升高，試樣的密度及致密度逐漸增加，在燒結(jié)溫度為1220 ℃時，試樣致密度最大，達到95.47%。

燒結(jié)可以分為燒結(jié)初期的粘結(jié)階段、燒結(jié)中期的燒結(jié)頸長大階段以及燒結(jié)后期的孔隙球化和縮小階段。隨著燒結(jié)溫度的增加，氫在鈦中擴散能力增強，氫進入鈦的晶格間隙內(nèi)，形成間隙固溶體，使鈦基體的晶格發(fā)生嚴重的扭曲變形，增加晶格間畸變能，導(dǎo)致鈦中的空位濃度和位錯增加，降低了燒結(jié)過程中的自由能，燒結(jié)過程中燒結(jié)頸長大速率增大，孔隙逐漸球化縮小，燒結(jié)體更加致密[6,7]。

表4 不同燒結(jié)溫度的試樣密度及致密度Tab.4 Sample density and densificationat different sintering temperatures

2.2.2 燒結(jié)溫度對顯微組織的影響

圖1為不同燒結(jié)溫度下試樣的顯微組織，從圖1(a)可以看出，α相呈片狀分布在β相基體上，隨著燒結(jié)溫度的升高，α相的體積逐漸增加，由片狀轉(zhuǎn)變?yōu)闂l狀，晶粒逐漸變大，部分區(qū)域聚集著α相組織和β相組織交錯的類網(wǎng)籃組織，如圖1(c)，整體類似于典型的等軸組織，但組織分布不均勻。這是因為β相的轉(zhuǎn)變溫度為882.5 ℃，當溫度超過882.5 ℃時，α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，燒結(jié)結(jié)束后，隨爐冷卻至882.5℃時，α相在β相晶界形核，以層片狀的形式在β相晶粒中長大，分布在β相基體上，而β相有一部分會分解，轉(zhuǎn)變成條狀的α相。

2.2.3 燒結(jié)溫度對硬度的影響

圖2為不同燒結(jié)溫度下試樣的維氏硬度。從圖2可以看出，試樣的燒結(jié)溫度在1180～1220 ℃范圍內(nèi)，隨著燒結(jié)溫度的升高，試樣的硬度逐步增加，當燒結(jié)溫度從1180 ℃升高1200 ℃時，硬度增長幅度較大；當燒結(jié)溫度從1200 ℃升高到1220 ℃時，硬度增長幅度較小，在燒結(jié)溫度為1220 ℃時達到最大。這是由于隨著溫度的升高，試樣中的孔隙含量也隨之減少，硬度也會隨著致密度的升高而增加，但是當燒結(jié)溫度高于1200 ℃以后，致密化過程減慢，試樣密度趨于平穩(wěn)，硬度變化幅度不大。

2.3 保溫時間對Ti-6Al-4V合金的影響

2.3.1 保溫時間對密度及致密度的影響

表5為不同保溫時間的試樣密度及致密度，從表5可以看出，樣品保溫時間在210 ～240 min范圍內(nèi)，隨著保溫時間的延長，樣品的密度及致密度增加，在保溫時間為240 min時，致密度最高，達到94.89%，隨后致密度略微下降。這是由于在燒結(jié)前期，燒結(jié)體組織正處于轉(zhuǎn)變期，蠕變、擴散等現(xiàn)象都在這一時期出現(xiàn)，燒結(jié)還進一步收縮[8]，變形主要以塑性變形為主，內(nèi)部結(jié)構(gòu)進一步致密化到了后期，致密化進程減慢，致密度基本維持不變。

(a)1180 ℃

(b)1200 ℃ (c)1220 ℃圖1 不同燒結(jié)溫度下試樣的顯微組織Fig.1 Microstructure of the specimen at different sintering temperatures

圖2 不同燒結(jié)溫度下試樣的維氏硬度Fig.2 Vickers hardness of samples with different sintering temperatures

燒結(jié)溫度(℃)保溫時間(min)密度(g/cm3)致密度(%)2103.96890.2012002404.17594.892704.17394.84

2.3.2 保溫時間對顯微組織的影響

圖3為不同保溫時間下試樣的顯微組織，從圖3(a)、3(b)可以看出，試樣保溫時間在210～240 min范圍內(nèi)，隨著保溫時間的延長，顯微組織上的孔隙逐漸縮小，晶粒變得細小，α相呈片狀；當試樣的保溫時間延長至270 min時，晶粒更加粗大，α相呈條狀和片狀，見圖3(c)。由于隨著保溫時間增加，燒結(jié)更加充分，組織進一步致密，孔隙數(shù)量也會減少，當燒結(jié)達到一定程度以后，晶粒會隨著保溫時間的延長而長大[9]。

(a)210 min

(b)240 min (c)270 min圖3 不同保溫時間下試樣的顯微組織Fig.3 Microstructure of the specimen at different holding times

2.3.3 保溫時間對硬度的影響

圖4為不同保溫時間的試樣維氏硬度，從圖4可以看出，試樣保溫時間在210～240 min范圍內(nèi)，隨著保溫時間的增加，試樣的硬度也增加，在保溫時間為240 min時達到最大，為410.03 HV，隨后少幅度下降。這是因為隨著保溫時間的延長，組織處于轉(zhuǎn)變過程中，并且在這一時間段內(nèi)可能出現(xiàn)重結(jié)晶，晶粒開始長大粗化，所以導(dǎo)致了燒結(jié)體維氏硬度的下降[10]。

3 結(jié)論

(1)試樣中的Ti、Al、V元素均在國家標準范圍內(nèi)，氫元素脫除較徹底，但仍殘留少量雜質(zhì)元素，且C、Fe元素殘留較多，下一步應(yīng)改善實驗方案，降低C、Fe元素的含量。

(2)試樣致密度最高達到了95.47%，還需進一步優(yōu)化燒結(jié)制度；試樣的硬度較高，達到了411.30 HV。

圖4 不同保溫時間的試樣維氏硬度Fig.4 Vickers hardness of samples at different holding times