粉末冶金Ti-3Al-5Mo-4.5V(TC16)合金的制备与力学性能

向泽阳，许荣君，刘彬，刘咏



粉末冶金Ti-3Al-5Mo-4.5V(TC16)合金的制备与力学性能

向泽阳，许荣君，刘彬，刘咏

(中南大学 粉末冶金国家重点实验室，长沙 410083)

以Ti粉、Al-V合金粉及Mo粉为原料，通过冷等静压和真空烧结制备Ti-3Al-5Mo-4.5V(TC16)合金，并对该合金的组织与力学性能进行研究。结果表明，粉末冶金TC16合金具有由α相和β相组成的网篮组织，相对密度约为93.5 %，抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为1062 MPa，973 MPa和2.3%，关键性能(屈服强度)达到铸造TC16合金水平。

粉末冶金；钛合金；相对密度；微观组织；力学性能

钛合金的密度小(4.51 g/cm3, 约为钢的40%)、强度高(可达到1 000 MPa以上)、抗疲劳性能好(疲劳极限是钢的2倍)、抗腐蚀性能和生物相容性优异[1−2]，一直享有“太空金属”、“海洋金属”等美誉，在航空航天、汽车和生物医用等领域都有广泛的应用[3−4]。Ti-3Al-5Mo-4.5V(TC16)合金是我国钛合金紧固件常用的材料之一，不但具有良好的强度和韧性，而且还有良好的冷/热加工性能。目前我国对TC16合金的研究主要集中于合金熔铸工艺、热处理工艺跟合金组织与性能之间的对应关系以及合金的冷/热变形行为(轧制、拉拔、冷镦等)方面。张志强等[5]研究了淬火对TC16合金组织的影响，发现在700 ℃淬火后TC16合金由初生α相、β相和少量ω相组成，提高淬火温度，合金出现β→α″的马氏体相变。吴崇周等[6−7]研究了热处理对变形TC16合金组织与性能的影响，发现退火处理过程中发生了纤维组织向等轴组织的转变，随退火时间延长，屈服强度下降，生产率升高。李康等[8]研究发现TC16合金具有较好的冷镦变形能力，冷镦变形量大于25%时发生明显的组织细化。以上研究的TC16合金均采用铸锭冶金工艺制备。常规铸锭冶金工艺制备钛合金过程包括多次真空自耗熔炼、开坯锻造、多火次加工变形等多道次工艺，工艺流程长，熔炼及高温锻造的能量消耗大，设备投入惊人，使得铸锭冶金TC16合金成本普遍较高。粉末冶金法具有原料成本低、工艺流程短、能量消耗小、设备投入小等优点，可显著降低材料成本[9−13]，对于某些形状复杂零部件，采用粉末冶金工艺可降低成本50%~70%，是制备低成本钛合金的潜在技术之一。目前采用粉末冶金方法制备TC16合金的研究还未见报道。本文以Ti粉、Al-V合金粉和Mo粉为原料，采用冷等静压−真空烧结工艺制备粉末冶金TC16合金棒材，并研究粉末冶金TC16合金的微观组织及力学性能。

1 实验

1.1 原料粉末

本研究采用的原料粉末为元素Ti粉、Mo粉和Al-V合金粉。用LECO-TCH 600碳氧氮硫分析仪分析粉末的杂质元素含量，结果列于表1。从表中可看出，原料粉末的主要杂质元素为O，其中Ti粉的O含量较高，质量分数达到0.35 %。图1所示为原料粉末的粒径分布，由图可知，Ti粉的平均粒径约为37 μm，Al-V合金粉的平均粒径约为54 μm，Mo粉的平均粒径约为22 μm。粉末的SEM形貌如图2所示。

表1 原料粉末的杂质含量

图1 原料粉末的粒径分布图

(a) Ti powder; (b) Al-V powder; (c) Mo powder

3种粉末均呈现不规则的形状，未出现明显团聚，不同粒度与不同形貌的粉末有望提高合金的压制和烧结密度，对提高材料的结构和力学性能有积极作用。

1.2 粉末冶金TC16合金的制备

按TC16合金的名义成分Ti-3Al-5Mo-4.5V (质量分数，下同)称取Ti粉、Al-V粉及Mo粉，于V型混料机上混合均匀，混料时间为8 h，用氩气保护。将混合粉末装入橡胶套筒中进行冷等静压成形，压力为180 MPa，保压时间为2 min，压套尺寸(直径×长度)为50 mm×500 mm。将冷等静压坯进行真空烧结，真空度<5×10−3Pa，烧结温度为1 250 ℃，保温时间2 h，随炉冷却，得到粉末冶金TC16合金棒材。图3所示为TC16合金棒材的宏观形貌，可见烧结后的TC16合金具有明显的金属光泽。

图2 原料粉末的SEM形貌

(a), (b) Ti powder; (c), (d) Al-V powder; (e), (f) Mo powder

图3 粉末冶金TC16棒材的宏观形貌

1.3 性能检测

用阿基米德排水法测定粉末冶金TC16合金的密度，每个状态取3个试样进行测定，测试前用砂纸打磨，去掉表面氧化层。采用LECO- TCH 600碳氧氮硫分析仪分析合金的杂质元素含量。用RigakuD/ MAx255oVB+型X射线衍射仪对合金进行相组成分析，工作电压为40 kV，管电流为30 mA，扫描速度为1 (°)/min，衍射角范围为2°~90°。用美国FEI公司的Quanta FEG 250场发射扫描电镜观察合金的显微组织和拉伸断口形貌，为使断口清洁，观察前用超声波清洗器清洗。按照国标GB/T228—2002中的标准准备拉伸试样，试样标距段尺寸(直径×长度)为5 mm×25mm，每个状态取3个试样，在WSM-100KN型万用拉伸机上进行拉伸试验，拉伸速率为1 mm/min。

2 结果与讨论

2.1 微观组织

粉末冶金Ti-3Al-5Mo-4.5V(TC16)合金的Al、Mo当量用下式计算[14]：

[Al]eq=[Al]+0.17[Zr]+0.33[Sn]+10[O] (1)

[Mo]eq=[Mo]+0.2[Ta]+0.28[Nb]+0.4[W]+0.67[V]+

1.25[Cr]+1.25[Ni]+1.7[Mn]+1.7[Co]+2.5[Fe] (2)

用式(1)和(2)计算出该钛合金的Al当量[Al]eq为6.3，Mo当量[Mo]eq为8.1，由此推测该合金为α+β双相钛合金。图4所示为粉末冶金TC16合金的XRD谱，由图可见，该合金由α和β两相组成，这与计算结果一致。

图5所示为TC16合金的SEM微观组织，表2所列为该合金的密度与氧含量。由图5可见，TC16合金具有由α相和β相组成的网篮组织，其中的灰黑色相为α相，白色相为β相。α相层片间距小于1 μm。在烧结的冷却过程中，α层片从原始β相的晶界开始形核，以一定的方向朝着β晶粒内部生长，形成具有相同位向的α片层集束，从而形成网篮组织[15]。细小的网篮组织具有良好的抗蠕变性能，但会降低材料的塑性。此外，从图5还观察到少量残留的圆形孔隙，孔隙尺寸约为2~10 μm。从表2看出粉末冶金TC16合金具有较高的密度，平均密度达到93.5%，合金的平均氧含量为0.33%，与原料粉末的氧含量相比变化 不大。

图4 粉末冶金TC16合金的XRD谱

图5 粉末冶金TC16合金的SEM形貌

(a) Low magnification; (b) High magnification

表2 粉末冶金TC16合金的密度及氧含量

2.2 力学性能

图6所示为粉末冶金TC16合金的拉伸真应力−真应变曲线，拉伸性能列于表3。从表3可知粉末冶金TC16合金具有较好的力学性能，平均抗拉强度达1 062 MPa，平均屈服强度为973 MPa，平均伸长率为2.3%，强度达到了铸造TC16合金的水平[7]。

图7所示为粉末冶金TC16合金的拉伸断口形貌。从图中看出断口处无明显缩颈，断口表面较粗糙，有少量韧窝，同时断口处还能观察到明显的残余孔隙。在拉伸过程中，残余孔隙引起应力集中，因此孔隙处易萌生裂纹并快速连通孔隙以释放应力，导致材料快速发生断裂，可通过热加工消除材料内部孔隙，提高其致密度及塑性。

图6 PM TC16合金的拉伸真应力−真应变曲线

表3 粉末冶金TC16合金的力学性能

图7 PM TC16合金的拉伸断口形貌

(a) Low magnification; (b) High magnification

3 结论

1) 以Ti粉、Mo粉和Al-V合金粉为原料，通过冷等静压及真空烧结制备的粉末冶金TC16合金，具有由α相和β相组成的网篮组织，α相层片间距小于1 μm，合金的相对密度约为93.5%。

2) 粉末冶金TC16合金的强度接近铸造TC16合金水平，抗拉强度达到1 062 MPa，屈服强度达到973 MPa，伸长率为2.3%。

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(编辑 汤金芝)

Preparation and mechanical property of powder metallurgy Ti-3Al-5Mo-4.5V (TC16) alloy

XIANG Zeyang, XU Rongjun, LIU Bin, LIU Yong

(State Key Lab of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

Ti-3Al-5Mo-4.5V (TC16) alloy was prepared by powder metallurgy (PM) process with Ti powder, Al-V alloy powder and Mo powder as raw materials. The microstructure and mechanical properties of the powder metallurgy TC16 alloy were studied. The results show that the powder metallurgy TC16 alloys have a basketweave microstructure composed of α phase and β phase. The powder metallurgy TC16 alloy with the relative density of 93.5%, the tensile strength of 1 062 MPa, the yield strength of 973 MPa and the uniform elongation of 2.3% is obtained, in which the yield strength reachs the level of casted TC16 alloy.

powder metallurgy (PM); titanium alloy; relative density; microstructure; mechanical properties

TG146.2+3

A

1673-0224(2018)05-534-05

国家重点研发计划资助项目(2014CB644002)；湖南省自然科学基金资助项目(2017JJ2311)

2018−03−12；

2018−04−25

刘彬，研究员，博士。电话：0731-88877669；E-mail: binliu@csu.edu.cn