稀土元素Y對(duì)粉末冶金制備鈦鋁合金組織和性能的影響

裴穎脫，張海禮

（1.天津工業(yè)職業(yè)學(xué)院，天津 300400；2.凌源鋼鐵股份有限公司，遼寧 凌源 122500）

作為一種優(yōu)良的耐高溫結(jié)構(gòu)材料，鈦鋁合金在航天工程及發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。實(shí)踐過(guò)程中，鈦鋁合金可承受溫度達(dá)到900℃以上，并且質(zhì)地較輕，硬度及比強(qiáng)度普遍較高，其充分的滿足了人們的生活生產(chǎn)需要。鈦鋁合金制備過(guò)程中，粉末冶金制備法是其制備的重要手段，該制備過(guò)程中，保溫溫度及保溫時(shí)間會(huì)對(duì)鈦鋁合金的組織結(jié)構(gòu)造成一定影響：一旦保溫時(shí)間較長(zhǎng)且溫度較高，則鈦鋁合金的晶粒會(huì)隨著增大，而稀土元素Y的添加能夠有效的避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，文章由此展開(kāi)分析。

1 粉末冶金制備鈦鋁合金工藝

粉末冶金是當(dāng)前鈦鋁合金制備的常用工藝之一。其以單質(zhì)粉或合金粉末為基本的冶煉材料，在綜合配比的控制下，對(duì)基礎(chǔ)材料進(jìn)行壓制成型、固化燒結(jié)及熱處理工藝應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)了金屬或非金屬材料的有效獲取。就鈦鋁合金制備過(guò)程而言，一次成型是其制備的主要特征所在。并且隨著制備工藝的不斷成熟，粉末冶金制備鈦鋁合金工藝有進(jìn)一步細(xì)分為元素粉末法和預(yù)合金粉末法（如圖1）。

圖1 粉末冶金制備鈦鋁合金應(yīng)用

結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，粉末冶金制備鈦鋁合金的工藝應(yīng)用具有以下優(yōu)勢(shì)：其一，該工藝制備下的鈦鋁合金具有較小的纖維組織，其充分保證了材質(zhì)的力學(xué)性能突出。其二，與其它合金制備工藝相比，粉末冶金制備鈦鋁合金的成分較為均勻，其有效的避免了材質(zhì)疏松、偏析等現(xiàn)象的發(fā)生。其三，單質(zhì)粉及合金粉末是鋁鈦合金制備的基本材料，較為松散、均勻的基礎(chǔ)材質(zhì)，使得高熔點(diǎn)合金元素或第二相粒子制備復(fù)合材料的添加更加便捷，其有效的滿足了合金材料的結(jié)構(gòu)要求、力學(xué)性能指標(biāo)和耐熱性能。其四，一次成型的特征使得粉末冶金制備鈦鋁合金的工藝較為簡(jiǎn)單，其充分滿足了工業(yè)市場(chǎng)的應(yīng)用需要，具有較為優(yōu)良的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

2 鈦鋁合金的組織及性能分析

2.1 鈦鋁合金的組織特征

鈦鋁合金制備過(guò)程中，進(jìn)行熱處理的溫度區(qū)間具有差異性，由此也導(dǎo)致了其合金組織結(jié)構(gòu)的不同，一般情況下，全層面組織、雙態(tài)組織、近層片組織、近γ組織是鈦鋁合金較為常見(jiàn)的四種結(jié)構(gòu)組織形態(tài)。

2.2 鈦鋁合金的力學(xué)性能

實(shí)現(xiàn)材料力學(xué)性能提升是合金生產(chǎn)的重要目標(biāo)。實(shí)踐過(guò)程中，合金硬度、壓縮性能、抗彎性能等都是合計(jì)材料力學(xué)性能把控的重要指標(biāo)。就鈦鋁合金而言，維氏硬度值是其材料硬度表達(dá)的基本方式，并且該表達(dá)過(guò)程會(huì)受到材料尺寸、相結(jié)構(gòu)、硬度打點(diǎn)位置等多個(gè)因素的影響。另外，凝固溫度梯度、摻入合金元素類型及分量等都會(huì)對(duì)鈦鋁合金的硬度造成影響。如 V、Cr、Co、Fe等元素加入后，V-TiAI的硬度明顯高于其它合金，同時(shí)Fe-TiAi合金的硬度最小。而在加入元素含量上，一旦鋁元素的含量到達(dá)54%，則制備合金的硬度最低，當(dāng)鋁元素含量高于該指標(biāo)值時(shí)，合金硬度有所提升。壓縮性能是合金強(qiáng)度和塑性的綜合反映，研究表明，鈦鋁合金的抗壓強(qiáng)度與圧縮溫度呈現(xiàn)出反比例關(guān)系，即圧縮溫度溫度升高，抗壓強(qiáng)度會(huì)逐漸降低。就鈦鋁合金而言，其在室溫狀況下的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到2000 MPa，而一旦圧縮溫度升高，其抗壓強(qiáng)度僅為1300 MPa。

3 稀土元素Y摻加下的鈦鋁合金組織及性能分析

新經(jīng)濟(jì)形態(tài)下，人們對(duì)鈦鋁合金的應(yīng)用提出了較高的質(zhì)量要求，其不僅要有良好的指導(dǎo)、強(qiáng)度及耐熱性能，更要在抗彎強(qiáng)度和合金塑性等方面進(jìn)行有效改善。基于此，在粉末冶金制備鈦鋁合金過(guò)程中，進(jìn)行稀土元素的添加已成為其冶煉技術(shù)提升的重要手段。

3.1 稀土元素Y摻加下的鈦鋁合金制備

為實(shí)現(xiàn)稀土元素Y摻加對(duì)鈦鋁合金制備影響的有效分析，可在真空熱壓燒結(jié)法的應(yīng)用下，對(duì)鈦鋁合金制備的過(guò)程加純Al粉、TiH2粉及YH2粉，然后實(shí)現(xiàn)不同 Y 量 Ti-45Al-xY（x=0，0.3，0.8）（at.%）合金的制備。然后系統(tǒng)分析其組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的變化。需要注意的是，在鈦鋁合金制備過(guò)程中，制備樣品所虛的粉末數(shù)量是其控制的重點(diǎn)所在，本次影響因素檢測(cè)過(guò)程中，其樣品粉末量的應(yīng)用滿足以下條件（如表 1）。

表1 稀土元素?fù)郊酉骡佷X合金制備樣品所需粉末量g

3.2 稀土元素Y摻加下的鈦鋁合金組織

鈦鋁合金制備過(guò)程中，其鋁粉及TiH2的原始組織結(jié)構(gòu)為立方晶型，而YH2粉末除了立方晶性還有少量的密排六方晶型YH3，在傳統(tǒng)制備工藝中，受員材料特性等因素的影響，其合金的組織形式表現(xiàn)為全層面組織、雙態(tài)組織、近層片組織、近γ組織四種形態(tài)，差異化的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)形式使得合計(jì)γ相的晶粒結(jié)合差異明顯。而在稀土元素Y摻加作用下，Ti-45Al的Y摻加量為零時(shí)，γ+α2片層晶團(tuán)和等軸γ晶粒是其結(jié)構(gòu)的基本組成，其整體表現(xiàn)為近片層組織；而當(dāng)Ti-45Al的Y摻加量為0.3及0.8時(shí)，其雖然具有一定的YAl2和Y203成分，當(dāng)材質(zhì)整體仍然為γ+α2片層晶團(tuán)和等軸γ晶粒，且富Y相作用明顯，故結(jié)構(gòu)組織也為近片層組織。由此可見(jiàn)，鈦鋁合計(jì)制備過(guò)程中，稀土元素Y可以促進(jìn)γ相的有效生成。

3.3 稀土元素Y摻加下的鈦鋁合金性能

合金制備過(guò)程中，隨著保溫時(shí)間及保壓壓力的不斷增加，合金的致密性能夠得到有效保證。就不摻加稀土元素Y的粉末冶金鈦鋁合金制備顧聰而言，晶粒度、合金相比例及組織均勻性等指標(biāo)都會(huì)對(duì)合金的性能造成影響。而當(dāng)保溫溫度及保溫時(shí)間一定是，保壓壓力是人們鈦鋁合金生產(chǎn)質(zhì)量控制的額關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)制備模式下，在合理控制升溫速度和降溫速度的基礎(chǔ)上，要實(shí)現(xiàn)合金材料的有效生產(chǎn)，其就必須確保其保溫溫度處于1400℃，同時(shí)保溫時(shí)間需控制在90min，另外保溫壓力需以42MPa為基準(zhǔn)。

稀土元素Y摻加下，鈦鋁合金的晶粒和內(nèi)部片層組織被進(jìn)一步細(xì)化，同時(shí)合金內(nèi)有得以有效凈化。實(shí)踐過(guò)程中，可以在公式ρ＝3.8x+（1-x）×4.2的支撐下，實(shí)現(xiàn)合金理論密度的有效計(jì)算。在稀土元素Y摻加下，鈦鋁合金的密度得以有效增強(qiáng)。具體而言，在稀土元素Y添加以后，合金的晶粒尺寸細(xì)化到了401ma；同時(shí)，其片層晶團(tuán)內(nèi)層片細(xì)化達(dá)到lgm；此外，在不斷增加元素Y含量的同時(shí)，合金的晶粒和7+a2片層晶團(tuán)內(nèi)部層片組織得到細(xì)化，其使得合金性能得以有效提升。研究表明，當(dāng)稀土元素Y的含量達(dá)到合金制備材料0.8%時(shí)，其制備鈦鋁合金的性能處于最佳狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

稀土元素Y摻加對(duì)于粉末冶金制備鈦鋁合金的工藝應(yīng)用具有重大影響。實(shí)踐過(guò)程中，冶金從業(yè)人員只有明確粉末冶金制備鈦鋁合金工藝原理，并在把控稀土元素Y摻加對(duì)制備過(guò)程影響的基礎(chǔ)上，進(jìn)行較高質(zhì)量的制備技術(shù)應(yīng)用。才能確保粉末冶金制備鈦鋁合金工藝的成熟，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)合金組織和性能的進(jìn)一步優(yōu)化。