燒結(jié)溫度對SPS制備TA15鈦合金組織與拉伸性能的影響

徐 嘉,蘇旭文,王海麗,孫國棟

(1.西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710065)(2.西安稀有金屬材料研究院有限公司, 陜西 西安 710016)

鈦及鈦合金因其質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好和生物相容性優(yōu)良而被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、生物醫(yī)療等領(lǐng)域[1-4]。鈦合金的傳統(tǒng)制備方法有熔煉、鑄造和粉末冶金法[5-8]。經(jīng)熔煉和鑄造獲得的鈦合金易出現(xiàn)不均勻的微觀組織，進(jìn)而導(dǎo)致材料性能不均勻[9,10]。相比之下，粉末冶金法可以最大限度地減少合金成分偏聚，消除粗大、不均勻的組織。因此，粉末冶金法被認(rèn)為是一種很有希望用于制造高性能鈦合金的方法。放電等離子燒結(jié)法(SPS)是近年發(fā)展起來的一種新型粉末冶金技術(shù)，具有升溫速度快、燒結(jié)時(shí)間短、燒結(jié)氣氛可控、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)。近年來，研究者在利用SPS技術(shù)制備鈦合金方面進(jìn)行了大量研究[11]。Zhang等[12]采用SPS技術(shù)制備了具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的石墨烯(GR)增強(qiáng)Ti6Al4V納米復(fù)合材料，當(dāng)GR質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，GR/Ti6Al4V復(fù)合材料表現(xiàn)出很高的抗壓強(qiáng)度。Huang等[13]以Ti6Al4V合金粉末和TiB納米線為原料，采用SPS技術(shù)制備出具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。研究表明，TiB/Ti6Al4V復(fù)合材料具有優(yōu)異的拉伸性能。

TA15鈦合金名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，是一種高鋁含量的近α型鈦合金，不僅具有良好的可焊性，而且具有比強(qiáng)度高、高溫力學(xué)性能優(yōu)良以及耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊[14]。鈦合金的微觀組織對其力學(xué)性能的影響較大[15]，而微觀組織受燒結(jié)溫度的影響較大。因此，本研究采用SPS工藝制備TA15鈦合金，探索通過控制燒結(jié)溫度實(shí)現(xiàn)微觀組織的調(diào)控，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化其力學(xué)性能的目的。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)原材料為西安歐中材料科技有限公司生產(chǎn)的球形TA15鈦合金粉末，粒徑為15～53 μm，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：Al 6.40，V 2.12，Mo 1.31,Zr 2.00，Si 0.01，F(xiàn)e 0.033，余量為Ti。圖1為TA15鈦合金粉末的掃描電子顯微鏡(SEM)照片?？梢钥闯觯揟A15鈦合金粉末均呈球形，具有良好的流動性。

圖1 TA15鈦合金粉末的SEM照片

采用SPS-80T-20型放電等離子燒結(jié)爐進(jìn)行熱壓燒結(jié)。取TA15鈦合金粉末120 g，放入直徑為50 mm的石墨模具中，在真空環(huán)境下進(jìn)行熱壓燒結(jié)。根據(jù)現(xiàn)有研究成果[16]，選擇燒結(jié)溫度分別為800、850、900、1000 ℃，燒結(jié)壓力為40 MPa，真空度小于10 Pa，升溫速率為100 ℃/min，保溫時(shí)間為5 min。燒結(jié)后得到φ50 mm×13 mm的圓坯。

采用線切割從燒結(jié)塊體上切取試樣，取樣位置遠(yuǎn)離塊體表面。拉伸試樣標(biāo)距為16 mm，寬度為4 mm，厚度為2 mm，具體尺寸如圖2所示。采用UTM5105X型電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測試，試驗(yàn)結(jié)束后利用SEM觀察試樣斷口形貌。切取10 mm×10 mm×5 mm的塊樣，采用阿基米德排水法測量密度。切取5 mm×5 mm×2 mm的金相試樣，依次經(jīng)過80#、160#、600#、800#、1000#、1500#、2000#砂紙打磨，然后用氫氟酸、硝酸和水組成的混合酸(體積比為5∶10∶85)進(jìn)行腐蝕。采用SEM觀察微觀組織。采用HVS-1000型數(shù)顯自動轉(zhuǎn)塔顯微硬度計(jì)測量硬度，載荷為0.98 N，保壓時(shí)間為20 s。每個(gè)樣品隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測量，取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖2 TA15鈦合金拉伸試樣尺寸示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 燒結(jié)溫度對密度的影響

對不同燒結(jié)溫度下制備的TA15鈦合金進(jìn)行密度測量，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，TA15鈦合金的密度隨燒結(jié)溫度的升高先急劇增大然后趨于穩(wěn)定。燒結(jié)溫度的升高加快了原子擴(kuò)散，而原子擴(kuò)散越充分，合金粉末之間的空隙和氣孔在很大程度上會得到消除，所以當(dāng)燒結(jié)溫度從800 ℃升高至850 ℃時(shí)，燒結(jié)試樣的密度發(fā)生跨越式增大，達(dá)到4.405 g/cm3；當(dāng)燒結(jié)溫度為900 ℃時(shí)，燒結(jié)試樣的密度達(dá)到最大(4.439 g/cm3)；隨著燒結(jié)溫度進(jìn)一步的升高，燒結(jié)試樣的密度基本保持不變。

圖3 不同燒結(jié)溫度下TA15鈦合金的實(shí)測密度

2.2 燒結(jié)溫度對微觀組織的影響

不同燒結(jié)溫度下制備的TA15鈦合金的微觀組織如圖4所示。當(dāng)燒結(jié)溫度為800 ℃時(shí)，TA15鈦合金的微觀組織表現(xiàn)出明顯的球狀形貌特征，并且存在許多孔洞，這說明TA15鈦合金并未完全致密化，粉末未能形成冶金結(jié)合(圖4a)。燒結(jié)溫度升高至850 ℃時(shí)，燒結(jié)試樣已經(jīng)基本致密化，看不到明顯的孔洞，顯微組織以等軸α相為主，另有少量板條狀α相(圖4b)。燒結(jié)溫度為900 ℃時(shí)，TA15鈦合金為魏氏組織，且組織中殘留有少量的等軸α相。其α相多數(shù)呈細(xì)小的片層狀，β相含量增多，相界清晰(圖4c)。相關(guān)研究表明，TA15鈦合金的相變點(diǎn)為985 ℃[17]，且在相變點(diǎn)以下短時(shí)間加熱，顯微組織變化不大[18]。然而，本實(shí)驗(yàn)中TA15鈦合金在900 ℃燒結(jié)時(shí)由等軸組織轉(zhuǎn)變?yōu)槲菏辖M織。分析認(rèn)為，一方面是由于SPS燒結(jié)過程是在石墨模具中進(jìn)行的，而紅外控溫是在模具外部，模具過厚導(dǎo)致顯示溫度滯后于實(shí)際溫度，使得實(shí)際溫度過高；另一方面，外部電壓和真空度的波動也會影響燒結(jié)試樣的實(shí)際溫度，會在波動的瞬間出現(xiàn)溫度過高或過低情況。當(dāng)燒結(jié)溫度升高到1000 ℃時(shí)，其微觀組織為典型的魏氏組織(圖4d)。燒結(jié)過程中，由于燒結(jié)溫度高于相變點(diǎn)，α相全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪嗖⒉粩嚅L大，隨后在隨爐冷卻過程中α相在β晶界上成核，并以片層狀長大嵌入β晶粒內(nèi)形成魏氏組織。此外，從圖4b～4d可以看出，850、900、1000 ℃燒結(jié)樣品組織分布均勻，沒有孔洞存在。

圖4 不同燒結(jié)溫度下TA15鈦合金試樣的SEM照片

2.3 燒結(jié)溫度對硬度的影響

圖5為不同燒結(jié)溫度下制備的TA15鈦合金試樣的顯微硬度。由圖5可以看出，隨著燒結(jié)溫度的升高，TA15鈦合金試樣的硬度逐漸增大。此外，燒結(jié)溫度為800 ℃時(shí)，試樣硬度偏差較大，而其他燒結(jié)溫度下試樣的硬度偏差均較小。這是由于800 ℃燒結(jié)的試樣不致密，存在較多孔洞所致。

圖5 不同燒結(jié)溫度下TA15鈦合金的顯微硬度

2.4 燒結(jié)溫度對室溫拉伸性能的影響

圖6為不同燒結(jié)溫度下制備的TA15鈦合金的室溫拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由于在800 ℃燒結(jié)的TA15鈦合金試樣有大量孔洞，無法完成拉伸試驗(yàn)，故本實(shí)驗(yàn)只得到了850、900、1000 ℃燒結(jié)試樣的拉伸數(shù)據(jù)。由圖6可以看出，隨著燒結(jié)溫度的升高，TA15鈦合金試樣的強(qiáng)度和塑性均呈降低趨勢。當(dāng)燒結(jié)溫度為850 ℃，試樣的室溫拉伸性能最優(yōu)，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度分別為1032.15、943.39 MPa，延伸率為17.72%。當(dāng)燒結(jié)溫度提高至900 ℃和1000 ℃后，拉伸性能明顯下降，抗拉強(qiáng)度分別為980.59、819.36 MPa，屈服強(qiáng)度分別為836.58、695.16 MPa，延伸率分別為13.80%、6.98%。拉伸性能變化主要由顯微組織變化引起。850 ℃時(shí)TA15鈦合金試樣為等軸組織，拉伸過程中協(xié)調(diào)變形能力好。當(dāng)溫度升高至900、1000 ℃時(shí)，試樣組織轉(zhuǎn)變?yōu)槲菏辖M織，該組織在拉伸過程中的協(xié)調(diào)變形能力較差，因而表現(xiàn)出較低的拉伸性能。

圖6 不同燒結(jié)溫度下TA15鈦合金試樣的拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.5 斷口形貌分析

圖7為不同燒結(jié)溫度下制備的TA15鈦合金試樣的拉伸斷口形貌。從斷口宏觀形貌(圖7a、7c、7e、7g)可以看出，800 ℃燒結(jié)試樣為脆性斷裂，850 ℃燒結(jié)試樣為韌性斷裂，900、1000 ℃燒結(jié)試樣又轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔选腡A15鈦合金試樣拉伸斷口的局部放大形貌可以看出，當(dāng)燒結(jié)溫度為800 ℃時(shí)，可以看到球形的原始粉末，球面上殘留有燒結(jié)頸的斷裂痕跡(圖7b)。當(dāng)燒結(jié)溫度升高至850 ℃時(shí)(圖7d)，斷口由等軸韌窩組成，韌窩小而密集，且較深，因而表現(xiàn)出較好的拉伸性能。當(dāng)燒結(jié)溫度為900 ℃時(shí)(圖7f)，斷口由韌窩和沿晶斷裂面組成，出現(xiàn)沿晶斷裂現(xiàn)象，斷裂面上韌窩分布不均勻，大韌窩周圍分布有小韌窩，宏觀上表現(xiàn)為強(qiáng)度、塑性下降。當(dāng)燒結(jié)溫度為1000 ℃時(shí)(圖7h)，斷口呈現(xiàn)韌窩和解理斷裂的混合特征，大部分韌窩很淺，且分布不均勻，還有一些平面上沒有韌窩，試樣發(fā)生沿晶斷裂，其塑性和強(qiáng)度較低。這與拉伸性能測試結(jié)果相一致。

圖7 不同燒結(jié)溫度下TA15 鈦合金試樣的拉伸斷口形貌

3 結(jié) 論

(1) 采用SPS工藝燒結(jié)制備TA15鈦合金，在燒結(jié)溫度850 ℃、燒結(jié)壓力40 MPa及保溫時(shí)間5 min條件下，可獲得致密的TA15鈦合金，燒結(jié)試樣密度為4.405 g/cm3。

(2) 燒結(jié)溫度由850 ℃升高到900、1000 ℃后，TA15鈦合金試樣的微觀組織由等軸組織轉(zhuǎn)變?yōu)槲菏辖M織。

(3) 燒結(jié)溫度為850 ℃時(shí)，TA15鈦合金試樣的拉伸性能最佳，室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度分別為1032.15、943.39 MPa，延伸率為17.72%。