真空脫氣對(duì)粉末冶金Ti2AlNb合金力學(xué)性能的影響

吳 杰，姚利盼，盧正冠，李一平，崔瀟瀟，徐 磊

(1. 中國科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016)(2. 中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川 成都 610500)

近年來，隨著航空工業(yè)的發(fā)展，輕質(zhì)高強(qiáng)Ti2AlNb合金成為國內(nèi)外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜構(gòu)件的優(yōu)選材料之一[1-3]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜構(gòu)件通常采用精密鑄造或鍛造+機(jī)加工工藝成形。Ti2AlNb合金的合金化程度高(高熔點(diǎn)Nb元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過40%)，化學(xué)活性強(qiáng)，幾乎能與所有坩堝材料發(fā)生反應(yīng)，精密鑄造難度極大，而且冶金缺陷會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)，對(duì)模殼的制備、穩(wěn)定性控制、料漿壽命、導(dǎo)熱性控制提出了巨大挑戰(zhàn)。若利用分體鍛造—數(shù)控加工—焊接工藝制造Ti2AlNb合金復(fù)雜構(gòu)件，一方面，內(nèi)部型腔的焊瘤無法徹底去除，會(huì)影響氣動(dòng)效率；另一方面，由于焊縫與母材的顯微組織和綜合力學(xué)性能存在差異，會(huì)造成組件安全系數(shù)降低[4-6]。粉末冶金近凈成形又稱“粉末鑄造”，在歐美等地被稱為“精密鑄造”的升級(jí)版，能夠徹底解決精密鑄造存在的縮孔、疏松、成分偏析等技術(shù)難題以及鍛件焊接困難等諸多問題[7-9]。

目前，對(duì)粉末冶金工藝制備Ti2AlNb合金的研究主要集中在熱等靜壓工藝參數(shù)(時(shí)間、溫度、壓力)、后續(xù)熱處理制度對(duì)材料性能的影響等方面，而針對(duì)粉體材料本身特性對(duì)粉末合金性能影響的研究較少，比如材料表面狀態(tài)、粉體本身質(zhì)量等[10,11]。Ti2AlNb粉末既可以用于有缺陷鑄件的補(bǔ)焊，也可以采用先進(jìn)的材料制備技術(shù)如機(jī)械合金化、粉末熱等靜壓、放電離子燒結(jié)、自蔓延高溫合成、增材制造等方法將其制備成塊體材料。粉末的化學(xué)成分、幾何形態(tài)特性、粒度分布、流動(dòng)性、表面性能等基本特性會(huì)顯著影響塊體材料的服役性能。粉末冶金近凈成形過程中，粉末在制備、轉(zhuǎn)運(yùn)、存儲(chǔ)、填充和封裝時(shí)不可避免的會(huì)接觸氧氣、氮?dú)夂退瑥亩斐深A(yù)合金粉末間隙元素(如O、N和H)含量增加，而粉末冶金鈦合金綜合力學(xué)性能受這些間隙元素影響顯著。為此，采用真空脫氣及不脫氣這2種工藝制備了粉末冶金Ti2AlNb合金，分析了真空脫氣對(duì)粉末冶金Ti2AlNb合金拉伸性能及持久壽命的影響，研究結(jié)果對(duì)于適當(dāng)控制粉末預(yù)處理制度，保證熱等靜壓構(gòu)件組織和性能的一致性具有重要的工程應(yīng)用參考價(jià)值。

1 實(shí) 驗(yàn)

采用無坩堝感應(yīng)熔煉超聲氣體霧化法(electrode induction melting gas atomization, EIGA)制備Ti-22Al-24Nb-0.5Mo(原子分?jǐn)?shù),x/%)預(yù)合金粉末。在大氣環(huán)境中將Ti2AlNb預(yù)合金粉末裝入2組圓柱形低碳鋼包套內(nèi)，一組經(jīng)過填充、振實(shí)、真空脫氣和封焊等過程得到熱等靜壓坯料,另外一組經(jīng)過填充、振實(shí)和封焊等過程得到熱等靜壓坯料[7-8]。真空加熱脫氣制度為：室溫/2 h→150 ℃/2 h→400 ℃/3 h，脫氣全過程真空度優(yōu)于10-2Pa。脫氣設(shè)備為自制專用脫氣平臺(tái)，使用復(fù)合真空計(jì)檢測真空度。熱等靜壓致密化成形在RD(Z)-1-850型熱等靜壓設(shè)備中進(jìn)行。

采用ICP光譜儀對(duì)Ti2AlNb預(yù)合金粉末進(jìn)行化學(xué)成分分析。采用TCH600系列氧氮?dú)渎?lián)合測定儀對(duì)預(yù)合金粉末中的H、O、N氣體元素含量進(jìn)行分析。采用Shimadzu AG-X型拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫及650 ℃拉伸性能測試。采用SANS-GWT105型高溫蠕變持久試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高溫持久壽命測試，實(shí)驗(yàn)條件為650 ℃/650 MPa。采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行粉末冶金Ti2AlNb合金力學(xué)性能穩(wěn)定性研究，拉伸性能測試的每種合金樣本數(shù)均為60只(脫氣和不脫氣)；持久樣品數(shù)量為10只。采用ESCALAB 250型X光電子能譜儀(X-ray photoelectron spectrometer, XPS)分析Ti2AlNb預(yù)合金粉末的表面成分，實(shí)驗(yàn)中采用Al元素的Kα射線(1 486.6 eV)作為射線源，并對(duì)Ti2AlNb預(yù)合金表面進(jìn)行濺射處理，其中濺射速率約為0.1 nm/s(相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的 Ta2O5樣品)，濺射時(shí)間為30～800 s，加速電壓為3 kV，Ar+電流為2 μA。所獲得的XPS譜用C1s的標(biāo)準(zhǔn)峰(284.6 eV)進(jìn)行校正。采用VersaXRM-500型顯微CT(X-ray micro computed tomography，Micro-CT)對(duì)粉末合金中的孔隙缺陷(如孔的尺寸、三維形貌及連通性等參數(shù))進(jìn)行定量分析[12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)合金粉末性能

表1給出了EIGA法制備的5批次Ti2AlNb預(yù)合金粉末的化學(xué)成分。從表1可以看出，主要合金元素含量波動(dòng)較小，均在GB/T 3620.2—2007標(biāo)準(zhǔn)要求的誤差范圍內(nèi)。Ti2AlNb預(yù)合金粉末中氣體雜質(zhì)含量(尤其是O)保持在比較低的水平。這是通過嚴(yán)格控制海綿鈦、中間合金等原材料的雜質(zhì)氣體含量和制粉工藝流程(如母合金熔煉、鍛造及霧化制粉等)的氧增量來實(shí)現(xiàn)的。

表1 Ti2AlNb預(yù)合金粉末的化學(xué)成分(w/%)

Table 1 Chemical composition of Ti2AlNb pre-alloyed powder

粉末冶金構(gòu)件的表面粗糙度與內(nèi)部致密度不僅與包套、模具尺寸相關(guān)，還與粉末的流動(dòng)性等工藝性能密切相關(guān)。粉末粒度分布會(huì)顯著影響粉末流動(dòng)性。測試了粒度分別≤75 μm、75～106 μm、106～180 μm、180～250 μm的Ti2AlNb預(yù)合金粉末在注粉漏斗直徑分別為6、8、10 mm條件下的流動(dòng)性，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，注粉漏斗直徑一定時(shí)，粒度越小，粉末流動(dòng)性越差；粉末粒度一定時(shí)，注粉漏斗直徑越小，粉末流動(dòng)性越差。粉末粒度≤75 μm時(shí)，即使在φ10 mm的漏斗中依然流動(dòng)性很差。在實(shí)際粉末冶金鈦合金構(gòu)件制備過程中，因模具形狀復(fù)雜，內(nèi)外模具間隙甚至小于1 mm，這從客觀上造成了粒徑為0～75 μm的預(yù)合金粉末難以注入模具中，出現(xiàn)“欠鑄”現(xiàn)象從而導(dǎo)致模具在熱等靜壓致密化過程中焊縫的“撕裂”，造成構(gòu)件失效。因此，從粉末填充的工藝性能方面考慮，應(yīng)選取粒度小于250 μm的全粒度分布預(yù)合金粉末。

圖1 不同粒度Ti2AlNb預(yù)合金粉末的流動(dòng)性云圖Fig.1 Contour map of fluidity of Ti2AlNb pre-alloyed powder in different particle size

圖2為Ti2AlNb預(yù)合金粉末表面Ti、Al原子的XPS圖譜。從圖2a可見，Ti2p的XPS圖譜上有4個(gè)可見峰，分別對(duì)應(yīng)金屬Ti(峰值對(duì)應(yīng)454.1 eV和460.2 eV)與TiO2(峰值對(duì)應(yīng)458.2 eV和464.1 eV)。圖2b中，Al2p的XPS圖譜上的峰值點(diǎn)為73.6 eV，所對(duì)應(yīng)Al的氧化形式為Al2O3。Al2O3和TiO2會(huì)阻礙粉末顆粒間形成良好的冶金結(jié)合，影響粉末體的致密化進(jìn)程[13]。

圖2 Ti2AlNb預(yù)合金粉末表面Ti、Al原子的XPS圖譜Fig.2 XPS spectra of the surface of Ti2AlNb pre-alloyed powder：(a)Ti atom；(b)Al atom

2.2 真空脫氣預(yù)處理對(duì)力學(xué)性能的影響

為了研究真空脫氣預(yù)處理對(duì)粉末冶金Ti2AlNb合金綜合力學(xué)性能的影響，選用固溶態(tài)試樣進(jìn)行拉伸測試。對(duì)比分析2組各60只拉伸試樣的拉伸測試結(jié)果。為了對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，引入標(biāo)準(zhǔn)差(S)和離散系數(shù)(Cv)2個(gè)指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)差是一組數(shù)據(jù)平均值分散程度的一種度量。離散系數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值，主要反應(yīng)數(shù)據(jù)的離散度和穩(wěn)定性。表2為粉末冶金Ti2AlNb合金拉伸性能統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。由表2可知，經(jīng)過預(yù)處理的粉末合金室溫拉伸性能與未進(jìn)行預(yù)處理的樣品無明顯差別，而且強(qiáng)度穩(wěn)定性較好，Cv值均在0.027附近。但2種樣品的650 ℃高溫拉伸性能存在顯著差別，經(jīng)過脫氣預(yù)處理的樣品不僅強(qiáng)度平均值比未處理樣品高70 MPa左右，平均高溫塑性也提高了50%以上，且穩(wěn)定性更好。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明，粉末真空加熱脫氣預(yù)處理工藝對(duì)提升Ti2AlNb粉末合金的高溫性能及其穩(wěn)定性效果顯著。

表2 粉末冶金Ti2AlNb合金拉伸性能統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

Table 2 Statistical analysis results of PM Ti2AlNb alloy tensile properties

韓國學(xué)者Y.T.Lee等人[14]在研究粉末真空脫氣預(yù)處理對(duì)粉末冶金Ti-6Al-4V合金力學(xué)性能影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，粉末顆粒表面吸附的O作為間隙元素能夠固溶到Ti-6Al-4V基體中，采用加熱進(jìn)行真空脫氣預(yù)處理對(duì)粉末冶金鈦合金拉伸性能的影響不明顯。本研究2.1節(jié)分析顯示，Ti2AlNb預(yù)合金粉末暴露在大氣中容易發(fā)生氧化，而且氧化物(Al2O3和TiO2)通常附著在粉末顆粒表面，并不能完全固溶到基體中。為此對(duì)經(jīng)過真空脫氣和未經(jīng)真空脫氣的2種粉末制備的Ti2AlNb合金的持久性能進(jìn)行測試，結(jié)果見表3。從表3可以看出，經(jīng)過真空脫氣后，粉末冶金Ti2AlNb合金的650 ℃/650 MPa持久性能明顯優(yōu)于未脫氣的樣品，持久壽命是未脫氣樣品的2倍多。因此，真空脫氣預(yù)處理對(duì)粉末冶金Ti2AlNb合金的高溫持久壽命影響顯著。

表3 粉末冶金Ti2AlNb合金的持久壽命

Table 3 Rupture life of powder metallurgy Ti2AlNb alloy

粉末冶金產(chǎn)品中不可避免的會(huì)出現(xiàn)孔隙缺陷，孔隙尺寸通常為微米級(jí)別，X射線探傷、超聲波探傷和熒光探傷等傳統(tǒng)的金屬材料探傷方法分辨率不夠[12]，而金相顯微鏡、掃描電鏡等表征技術(shù)難以提供完整的材料內(nèi)孔隙缺陷信息。因此，采用顯微CT分析了真空預(yù)處理對(duì)粉末冶金Ti2AlNb合金壓坯中孔隙分布規(guī)律的影響，研究結(jié)果見圖3。由圖3可以看出，經(jīng)過真空脫氣預(yù)處理的粉末冶金Ti2AlNb合金壓坯，其內(nèi)部孔洞數(shù)量相比未處理樣品減少，這是由于粉末顆粒表面是一個(gè)氣固兩相界面，真空脫氣預(yù)處理工藝可使吸附于顆粒表面的氣體開始解吸，脫離粉末表面[15-16]。因此，為了延長粉末冶金Ti2AlNb合金構(gòu)件的服役壽命，有必要對(duì)粉末進(jìn)行真空脫氣預(yù)處理。

圖3 粉末冶金Ti2AlNb合金的顯微CT圖像Fig.3 Micro-CT images of powder metallurgy Ti2AlNb alloy：(a)undegassed specimen；(b)degassed specimen

3 結(jié) 論

(1)采用氬氣霧化法制備的多批次Ti2AlNb合金粉末的氣體雜質(zhì)含量低，化學(xué)成分批次穩(wěn)定性好。從熱等靜壓近凈成形工藝的粉末填充性能方面考慮，應(yīng)選取粒度小于250 μm的全粒度分布預(yù)合金粉末。

(2)Ti2AlNb預(yù)合金粉末暴露在大氣中會(huì)吸附大氣中的雜質(zhì)氣體。對(duì)預(yù)合金粉末進(jìn)行真空脫氣處理后，粉末冶金Ti2AlNb合金的孔隙數(shù)量少于未脫氣樣品，綜合力學(xué)性能和穩(wěn)定性優(yōu)于未脫氣樣品。采用粉末冶金工藝能夠獲得性能優(yōu)良的粉末冶金Ti2AlNb合金。