烧结温度对TC4合金的微观结构和力学性能的影响

doi:10.11901/1005.3093.2018.556

烧结温度对TC4合金的微观结构和力学性能的影响

杨军¹^,², 张家敏^,¹^,², 马文瑾³, 杜立辉¹^,², 易健宏¹^,², 甘国友¹^,²^,³, 游昕¹^,², 李凤仙¹^,²

1. 昆明理工大学材料科学与工程学院昆明 650093

2. 云南省新材料制备与加工重点实验室昆明 650031

3. 莫纳什大学材料科学与工程学院墨尔本 3800 澳大利亚

Effect of Sintering Temperature on Microstructure and Mechanical Properties of TC4 Alloy

YANG Jun¹^,², ZHANG Jiamin^,¹^,², MA Wenjin³, DU Lihui¹^,², YI Jianhong¹^,², GAN Guoyou¹^,²^,³, YOU Xin¹^,², LI Fengxian¹^,²

1. Faculty of Material Science and Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093，China

2. Key Laboratory of Advanced Materials of Yunnan Province, Kunming 650031，China

3. Faculty of Material Science and Engineering, Monash University, Melbourne 3800, Australia

通讯作者: 张家敏，高级工程师，605188442@qq.com，研究方向为软磁铁氧体材料和粉末冶金钛合金

收稿日期: 2018-09-13 修回日期: 2018-11-19 网络出版日期: 2019-05-29

基金资助:

国家自然科学基金. 51464027

Corresponding authors: ZHANG Jiamin, Tel:13508711590, E-mail:605188442@qq.com

Received: 2018-09-13 Revised: 2018-11-19 Online: 2019-05-29

Fund supported:

Supported by National Natural Science Foundation of China. 51464027

作者简介 About authors

杨军，男，1993年生，硕士生

摘要

将TiH₂、Al-V粉末压制成型后进行真空烧结，制备出Ti6Al4V(TC4)合金，使用XRD、金相和SEM断口形貌观测以及力学性能测试等手段对其表征，研究了烧结温度对合金力学性能的影响。结果表明：烧结样品由密排六方α-Ti和体心立方β-Ti双相组成，其形貌呈等轴、网篮或板条(片状、针状)状，随着烧结温度的提高和保温时间的延长等轴组织减少，片状组织和针状组织增加且其组织粗化，在1150℃烧结的样品具有较好网篮结构组织；用该方法可制备相对密度为96.9%~99.6%、抗拉强度为719.3~914.1 MPa、延伸率为6.2%~9.4%、硬度为313.2~364.8HV的TC4合金试样；在1150℃保温1.5 h的样品性能较好，其抗拉强度最高(914.1 MPa)，对应的延伸率和硬度分别为7.6%和355.5HV；用纯TiH₂粉末烧结样品的断口呈韧性断裂；加入合金元素的样品其断口逐渐由韧性断口变为韧性和脆性混合的断口，其强度提高、延伸率下降。

关键词： 金属材料 ; 粉末冶金钛合金 ; TiH₂ ; 物相与形貌 ; 力学性能

Abstract

Ti6Al4V (TC4) alloy was prepared by vacuum sintering of the pressed powder mixture of TiH₂, Ti and Al-V alloy. The effect of sintering temperature on the phase constituents, microstructure , density and mechanical properties of the alloy was characterised by XRD, metallography, mechanical tests and SEM fracture morphology. The result shows that the prepared alloy composed of hexagonal α-Ti phase and body-centered cubic β-Ti phase. The alloy presents a microstructure with equiaxed grains, as well as mesh basket or lath (lamellar and acicular) like structures. With the increase of sintering temperature and holding time, the equiaxed grains gradually disappeared, while the amount of lamellar- and acicular-like structures increase and which then were coarsened . The alloy sintered at 1150℃ presents a microstructure with better mesh basket like structures. TC4 Ti-alloyswith relative density of 96.9%~99.6%, tensile strength of 719.3~914.1 MPa, elongation at break of 6.2%~-9.4% and hardness of 313.2~364.8 HV can be obtained by the method. Among others, the alloy with the best mechanical property could be acquired by sintering at 1150℃, which shows tensile strength of 914.1MPa, elongation at break of 7.6% and hardness of 355.5 HV respectively. The fracture morphology was mainly ductile for the alloy prepared by sintering of powder mixture of Ti and pure TiH₂ , and it gradually turns into brittle-tough mixed fracture with the increasing amount of Al-V alloy powder was added, correspondingly, the tensile strength of the prepared alloys increased but the elongation at break decreased.

Keywords： metallic materials ; powder metallurgy titanium alloy ; TiH₂ ; phase and morphology ; mechanical property

PDF (10889KB) 元数据多维度评价相关文章导出 EndNote| Ris| Bibtex 收藏本文

本文引用格式

杨军, 张家敏, 马文瑾, 杜立辉, 易健宏, 甘国友, 游昕, 李凤仙. 烧结温度对TC4合金的微观结构和力学性能的影响. 材料研究学报[J], 2019, 33(5): 338-344 DOI:10.11901/1005.3093.2018.556

YANG Jun, ZHANG Jiamin, MA Wenjin, DU Lihui, YI Jianhong, GAN Guoyou, YOU Xin, LI Fengxian. Effect of Sintering Temperature on Microstructure and Mechanical Properties of TC4 Alloy. Chinese Journal of Materials Research[J], 2019, 33(5): 338-344 DOI:10.11901/1005.3093.2018.556

钛和钛合金具有优异的综合性能，在航空航天、化工及常规兵器等领域得到了广泛的应用^[1,2,3,4,5]。但是，过高的成本制约了钛及钛合金的应用和发展。采用粉末冶金可降低成本还可制备出成分可控和近终成形的制品^[6,7,8]。而以TiH₂为原料，在降低成本的同时还能加速钛合金的致密化^[9,10,11]。Ivasishin等^[12]采用混合元素法(PM)，以TiH₂粉为原料，在烧结过程中或烧结后无需热变形的压制和烧结方法即可制备出相对密度高达99%的TC4合金样品，其抗拉强度达到970 MPa、伸长率达到6%。喻岚等^[13]用该方法在真空炉中脱氢烧结制备的TC4合金样品其烧结密度为4.4 g/cm³，抗拉强度达到854.89 MPa，延伸率达到3.8%。但是与熔铸钛合金相比，以TiH₂为原料用PM法制备的钛合金其性能仍然需提高以满足工程需求^[14]。鉴于此，本文以TiH₂为原料用PM法制备TC4钛合金，深入研究成分、烧结温度、保温时间对其力学性能的影响。

1 实验方法

实验用原料：TiH₂粉，Ti粉和Al-V合金粉。TiH₂粉的纯度为99.7%，Al-V合金粉中Al、V的含量分别为58.35%和41.2%。用行星式球磨机将按TC4合金比例混合的粉末球磨成TiH₂-Al-V粉，转速为250 r/min，时间为2.5 h；将混合好的粉料装入截面为10 mm×12 mm的硅胶软管模具中，在130 MPa压力下制备压坯，保压时间为5 min。将压坯分别在1100、1150、1200℃真空烧结，保温时间分别为1.5、2、2.5 h，炉冷。烧结样品及经机械加工后用于拉伸实验的非标样品，如图1所示。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1 烧结样品和拉伸试样

Fig.1 TiH₂-Al-V blank (a), sintered specimen (b) and tensile specimen (c)

用SHIMADZU力学性能试验机测试样品拉伸性能，用Axion Scope金相显微镜观察组织形貌，用TD-3500型XRD衍射仪对样品进行物相检测，用JSM-6460型扫描电镜进行拉伸样品断口分析，用HVST-1000型维氏硬度计测试硬度。

2 结果和讨论

2.1 XRD分析

图2给出了在不同温度(1100、1150、1200℃)分别烧结1.5、2、2.5 h的压坯(TiH₂-6Al-4V)的XRD图谱。由图2可见，烧结试样主要由密排六方结构α-Ti和体心立方结构β-Ti相组成，只是α-Ti、β-Ti的含量随烧结温度有所变化。图中α-Ti对应的衍射峰为(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)、(112)、(201)，其中三强峰为(100)、(002)、(101)；而β-Ti对应的三强峰为(110)、(200)、(211)。与纯钛的标准PDF卡片对比结果表明，所有样品的衍射峰位置向大角度偏移，说明钛的晶格常数变小。其原因是，作为α-Ti的稳定元素Al其原子半径远小于Ti的原子半径，Al原子融入Ti原子晶格中形成置换固溶体而使晶格常数减小，从而使衍射峰向大角度偏移。而作为β-Ti稳定元素的V，其原子半径与Ti原子半径相差不大，因此晶格常数变化较小。

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2 在不同温度烧结不同时间的试样的XRD衍射图

Fig.2 XRD diffraction pattern of specimens of heat pre-servation for (a) 1.5 h, (b) 2 h, (c) 2.5 h at 1100, 1150 and 1200℃

在保温时间相同的情况下下，随烧结温度的提高衍射峰向大角度偏移的量都减少。其原因可能是，随烧结温度的提高合金中Al的挥发使置换固溶体的Al含量降低，导致晶格常数略微变大。由图2a可知，在1100℃烧结出现β-Ti的(110)晶面，但是衍射峰强度较低，在1150℃烧结时β-Ti衍射峰较明显，而在1200℃烧结时β-Ti衍射峰明显。由图2b可知，在1100℃烧结时β-Ti的(110)晶面出现较强衍射峰，在1150℃烧结时β-Ti(110)晶面衍射峰强度降低，在1200℃烧结时β-Ti衍射峰几乎消失；由图2c可知，在1100℃和1150℃烧结时β-Ti的(110)晶面衍射峰强度较低，而在1200℃烧结时β-Ti衍射峰消失。总之，当烧结温度较低和保温时间较短时，V进入到Ti的晶格开始形成少量β-Ti，在一定温度和时间范围内烧结温度提高和保温时间延长使β-Ti含量的提高较大，但是当烧结温度较高和保温时间较长时V元素向晶界偏析，使β-Ti存在于尺寸很小的间隙中^[15]，XRD无法精确测定β-Ti。

2.2 合金的金相组织

图3给出了压坯(TiH₂-6Al-4V)烧结后TC4样品的金相图谱，其中图3a、b、c分别对应1100、1150、1200℃保温1.5 h的样品。可以看出，合金的金相组织为近似等轴和少量片状组织(图3a)，或片层状和少量等轴组织(图3b，c)。图3d、e、f对应1100、1150、1200℃保温2 h样品的金相组织图，合金的金相组织主要为等轴组织和少量的针状组织(图3d，e)，或粗大的片状组织和少量的等轴组织(图3f)。图3g、h、i对应1100、1150、1200℃保温2.5 h样品的金相组织图，合金的金相组织为细小的等轴组织和针状组织(图3g)，或粗大的片状和少量的等轴组织(图3h，i)。由图3可知，烧结温度较低和保温时间较短的情况下为等轴组织，随烧结温度的提高和保温时间的延长等轴组织减少而片状和针状组织增多且组织变得粗大。其原因在于，当烧结温度较高和保温时间较长时，在保温阶段β相晶粒有充裕的时间和驱动力相互吞而粗化，并使合金元素的分布接近平衡状态；在冷却过程中当温度降到两相区β相为α相的生长提供了不同取向，使粗大的β相晶粒转变为不同取向的片状和针状组织^[16]。而当烧结温度较低和保温时间较短时Al和V的扩散不充分，β相晶粒的相互吞而粗化的过程变慢，从而形成比较细小β相组织，且在随后的冷却过程中β相转变为等轴α相。具有网篮结构、等轴组织或等轴与片层混合组织的钛合金样品具有更好的强韧性，而具有粗大组织或者魏氏组织的样品强度高但是韧性较差。

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3 TC4试样的金相组织

Fig.3 Metallographic structure of TC4 specimens (a) 1100℃-1.5 h, (b) 1150℃-1.5 h; (c) 1200℃-1.5 h, (d) 1100℃-2 h; (e)1150℃-2 h; (f) 1200℃-2 h; (g) 1100℃-2.5 h; (h) 1150℃-2.5 h; (i) 1200℃-2.5 h

2.3 试样烧结前后的致密度

表1列出了用阿基米德排水法测得样品烧结前后的相对密度。由表1可知，烧结前压坯相对密度为58.64%~65.03%，烧结后相对密度为96.91%~99.58%。随着烧结温度的提高和保温时间的延长烧结试样的相对密度增加，因为烧结温度的提高使原子的迁移速率增大；而保温时间的延长使原子充分扩散，孔隙减少，相对密度增大。但是烧结温度过高使晶粒粗大，孔隙的增加将使密度降低。

表1 试样烧结前后的相对密度

Table 1 Relative density of samples before and after sintering (%)

Sintering temperature	1.5 h		2.0 h		2.5 h
Sintering temperature	Before sintering After sintering		Before sintering After sintering		Before sintering After sintering
1100℃	62.73	96.91	58.65	98.61	62.23	99.06
1150℃	58.96	97.42	58.78	98.77	62.29	99.19
1200℃	65.03	99.02	60.17	99.02	60.48	99.58

新窗口打开| 下载CSV

2.4 力学性能

表2列出了不同烧结温度(1100、1150、1200℃)分别保温1.5、2、2.5 h烧结样品的室温拉伸性能。表3列出了不同成分的试样在1150℃保温1.5 h后的室温拉伸性能。由表2可知，在1100℃保温2 h和在1150℃分别保温1.5、2.5 h的试样其抗拉强度和屈服强度都比较高(在900 MPa以上)。而在1100℃保温2 h的样品其抗拉强度较高，但是延伸率和硬度低。在1200℃分别保温1.5、2、2.5 h的样品，其抗拉强度和屈服强度都比较低。由表3可知，铝钒含量对合金拉伸性能有显著的影响。随着铝钒含量的提高试样的抗拉强度和硬度提高，而延伸率降低。在铝钒含量相同的条件下，以Ti粉为原料的试样其抗拉强度和延伸率都比以TiH₂粉为原料的试样略高。

表2 TiH₂-6Al-4V试样的力学性能

Table 2 Tensile properties of TiH₂-6Al-4V sample

Sintering conditions	R_m/MPa	R_P0.2/MPa	δ/%	HV
1100℃-1.5 h	848.1	792.4	7.1	313.2
1150℃-1.5 h	914.1	861.8	7.6	355.5
1200℃-1.5 h	719.3	663.6	6.2	334.9
1100℃-2 h	902.4	852.7	6.2	345.8
1150℃-2 h	853.2	791.3	8.2	346.6
1200℃-2 h	769.0	696.2	8.7	337.3
1100℃-2.5 h	894.0	846.3	8.1	364.8
1150℃-2.5 h	909.1	854.0	9.4	353.3
1200℃-2.5 h	820.2	764.0	9.1	363.7

新窗口打开| 下载CSV

表3 不同成分试样的拉伸性能

Table 3 Tensile properties of samples sintering at 1150℃ for 1.5 h with different compositions

Samples	R_m/MPa	R_P0.2/MPa	δ/%	HV
TiH₂	562.9	486.5	28.1	228.5
TiH₂-3Al-2V	839.1	775.1	21.4	318.2
TiH₂-6Al-4V	914.1	861.8	7.6	355.5
Ti-6Al-4V	937.2	869.8	10.9	376.8

新窗口打开| 下载CSV

本文制备的TC4合金具有α-Ti和β-Ti双相结构。α-Ti为密排六方结构，包含沿〈 $11 \bar{2} 0$ 〉方向、滑移面主要为{0001}、{ $10 \bar{1} 0$ }，以及沿〈 $11 \bar{2} 3$ 〉方向、滑移面{ $10 \bar{1} 1$ }、{ $11 \bar{2} 2$ }的两大滑移系^[17]。而β-Ti具有体心立方结构，体心立方金属有三组滑移面，每个滑移面上有两个滑移方向，共有48个滑移系。因此β-Ti比α-Ti具有更好的塑性。Al作为α-Ti稳定元素与α-Ti形成置换固溶体，使合金的强度提高。但是Al含量的增高使α-Ti的c/a值增大，从而使TC4的塑性变差^[18]。V作为β-Ti的稳定元素，使TC4合金在常温下保存了一定的β-Ti，使材料具有一定的塑性，添加1%V可使强度提高35 MPa左右^[19]。

由图2金相组织可知，随烧结温度的提高和时间的延长等轴组织减少，片层组织增加，组织变得粗大，而片层组织塑性差^[20,21]。片层组织宽度和厚度是影响合金性能主要原因。当受到外力作用时粗大的片层组织滑移会受到界面的阻碍，引起界面处的应力集中，而片层越宽其协调变形能力越差，强度越高，但是塑性降低。而当片层组织细小时滑移能够在片状丛域相互传递，减少界面消除的应力集中，有效地防止裂纹的产生，从而使塑性增加。

结合上述分析结果，在1100℃分别烧结2、2.5 h和在1150℃分别烧结1.5、2.5 h的样品，其室温拉伸性能优于温度较低时间较短(1100℃、1.5 h)和温度较高时间较长(1200℃烧结1.5、2.0、2.5 h)的样品。这些样品的XRD分析结果表明，其具有更多的β-Ti而且具有等轴与较细小片层组织的结构。烧结温度为1150℃分别保温1.5、2.5 h的样品其抗拉强度和屈服强度都较高，而保温2.0 h的较低。

2.5 断口形貌

图4给出了在1150℃保温1.5 h试样的拉伸断口形貌。图4a对应纯TiH₂烧结试样，拉伸断口形貌具韧窝呈韧性断裂；图4b对应TiH₂-3Al-2V试样，拉伸断口形貌以韧窝为主，但是有少量沿片层组织界面断裂的条形花样；图5c对应TiH₂-6Al-4V试样，拉伸断口形貌以条形脆断花样为主，有少量的韧窝；图5d对应Ti-6Al-4V试样，拉伸断口形貌具韧窝，但是韧窝较图5a、图5b浅，条形断裂面比图5b的略多，比图5c的少。对应表3的分析可知，纯TiH₂粉烧结样品的延伸率最好但是强度低，加入合金元素固溶强化后的TiH₂和Ti对应样品的强度都较高；低合金元素的TiH₂-3Al-2V烧结样品延伸率也较高，但是随着铝钒含量的提高试样的强度增大而延伸率下降，对应TiH₂-6Al-4V试样；与TiH₂-6Al-4V有相同合金元素比例的Ti-6Al-4V混合粉烧结样品，其延伸率略高。

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4 在1150℃保温1.5 h试样的拉伸断口形貌

Fig.4 Tensile fracture morphology of specimen for 1.5 h at 1150℃ (a) TiH₂, (b) TiH₂-3Al-2V, (c) TiH₂-6Al-4V, (d) Ti-6Al-4V

3 结论

(1) 烧结钛合金TC4具有密排六方结构α-Ti和体心立方结构β-Ti双态组织，但是随着烧结温度的提高β-Ti减少。

(2) 在1100~1200℃烧结的样品，其金相组织有等轴、网篮(片层)或两者混合组织，随着烧结温度的提高和保温时间的延长等轴组织减少而片状组织增加，且组织粗化。

(3) 用此方法可制备相对密度为96.9%~99.6%、抗拉强度为719.3~914.1 MPa、延伸率6.2%~9.4%、硬度313.2~364.8 MPa的TC4合金，其中烧结温度为1150℃保温1.5 h的试样其抗拉强度最高(达到914.1 MPa)，延伸率为7.6%。

(4) 纯TiH₂粉末烧结样品的断口呈韧性断裂，TiH₂-3Al-2V和Ti-6Al-4V烧结样品的断口以韧性断裂为主，TiH₂-6Al-4V烧结样品的断口以脆性断裂为主。