氢化钛粉和钒铝合金粉直接烧结制取Ti-6Al-4V合金实验研究

朱钰玲，杨绍利，马 兰

(1.西华大学材料科学与工程学院，四川 成都 610039；2.攀枝花学院钒钛学院，四川 攀枝花 617000)

从上个世纪50年代起，钛及钛合金因具有密度小、比强度高等优点，被广泛应用于航空、化工、医学、石油、电子、汽车、能源、建筑等多个领域中。目前在钛合金工业领域中，使用最广泛是Ti-6Al-4V合金[1]。

采用粉末冶金技术制备钛合金，利用率几乎可达100%，而且产品性能好，是降低钛合金生产成本的重要途径。采用氢化钛粉代替钛粉作为主要原料制备粉末冶金钛材料已成为国内外的研究热点。乌克兰的O.M.Ivasishin教授[2]等人使用氢化钛粉代替普通钛粉，研究了3种成分的合金，Ti-2.5Fe、Ti-5Al-2.5Fe以及Ti-5Mn，经过了冷压成形和真空烧结之后，粉末冶金制得的产品致密度达到了93%～99%。亚历山大·莫利亚尔[3]等，提出了以氢化钛为原料制备Ti-6Al-4V合金半成品的工艺，研究发现，烧结后产生的孔隙可以通过后续轧制工艺消除，并且经过轧制后合金的强度和塑性得到极大的提高。程新龙[4]等发现置氢烧结可明显提高Ti、V、Al原子的扩散能力，使合金元素可进行更快地分布，加快并发生粗化现象，形成网状组织结构。

本文使用氢化钛粉代替钛粉作为原料，可有效降低成本，减少工艺流程，促进钛产业的发展。

1 实验材料和方法

1.1 实验原料

氢化钛粉由攀枝花市某企业提供，铝钒合金粉购自辽宁某材料公司。表1为氢化钛粉化学成分，表2为铝钒合金化学成分。

表1 TiH2化学成分(wt.%)Tab.1 TiH2 chemical composition (wt.%)

表2 铝钒合金化学成分(wt.%)Tab.2 Chemical composition of aluminum-vanadium alloy (wt.%)

氢化钛粉和铝钒合金的平均粒径为300目，粘结剂硬脂酸为化学纯。

1.2 实验方法

实验采用预合金粉末冶金法，以氢化钛粉、钒铝合金粉为原料，其中氢化钛粉占质量百分比为90%，铝钒合金粉占比10%。混合后的原料真空湿磨8 h，真空干燥6 h[5]。掺入占物料质量的3%硬脂酸，压制成型，在真空烧结炉中进行烧结，研究烧结温度、保温时间对Ti-6Al-4V合金性能的影响。

1.3 试样性能检测

对烧结后的TC4合金试样进行以下性能检测：(1) 显微组织观察，腐蚀液选择1%HF+4%HNO3，使用金相显微镜(AFT-DC200)对试样显微组织进行观察。(2) 密度及致密度检测：使用密度测试仪(AR224CN)对密度进行检测，对一个样品进行两次检测，最后选择平均值作为密度的最后结果。致密度为实际密度与理论密度的比值。(3) 硬度检测：用维氏硬度机(HVS-50)对样品进行硬度检测。(4) 将试样送至攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司检测中心检测成分，主要检测Ti、Al、V、C、H、O、N、Fe、S、P的成分含量。

2 实验结果与讨论

2.1 化学成分

表3为Ti-6Al-4V合金化学成分国家标准和试样化学成分，可以看出除了C、Fe超出了国家标准范围，其余元素均在国家标准范围内，其中氢化钛粉中的H元素脱除得较好；在真空条件下，温度大于350 ℃时，氢化钛分解，释放出活性氢原子，活性氢原子能够去除中间合金表面的氧化物，最后所得烧结体试样中氧含量较低。C、Fe元素的含量超过了国家标准范围，C元素含量高的原因可能是原料本身含有少量C，其次添加的粘结剂可能较多，原料和粘结剂中的C元素与Al、V、Ti会发生反应，形成硬质相；Fe含量较高，造成这种现象的原因可能是在检测过程中，有Fe元素从取样机器的钻头上脱除，或者是在样品压制成型时，从模具上混入了Fe元素，造成了Fe元素偏高的结果。

表3Ti-6Al-4V合金标准成分和试样化学成分(wt.%)
Tab.3ChemicalcompositionofTi-6Al-4Valloysample(wt.%)

名称AlVCNSi标准5.5～6.73.5～4.5<0.08<0.05<0.20试样5.923.920.120.020.14名称HOFeSP标准<0.015<0.20<0.20<0.20<0.20试样0.00320.140.270.130.006

2.2 烧结温度对Ti-6Al-4V合金的影响

2.2.1 烧结温度对密度及致密度的影响

表4为不同烧结温度的试样密度及致密度，Ti-6Al-4V合金标准密度为4.4 g/cm3。从表4可以看出，烧结温度在1180～1220 ℃范围内，随着烧结温度的升高，试样的密度及致密度逐渐增加，在烧结温度为1220 ℃时，试样致密度最大，达到95.47%。

烧结可以分为烧结初期的粘结阶段、烧结中期的烧结颈长大阶段以及烧结后期的孔隙球化和缩小阶段。随着烧结温度的增加，氢在钛中扩散能力增强，氢进入钛的晶格间隙内，形成间隙固溶体，使钛基体的晶格发生严重的扭曲变形，增加晶格间畸变能，导致钛中的空位浓度和位错增加，降低了烧结过程中的自由能，烧结过程中烧结颈长大速率增大，孔隙逐渐球化缩小，烧结体更加致密[6,7]。

表4 不同烧结温度的试样密度及致密度Tab.4 Sample density and densificationat different sintering temperatures

2.2.2 烧结温度对显微组织的影响

图1为不同烧结温度下试样的显微组织，从图1(a)可以看出，α相呈片状分布在β相基体上，随着烧结温度的升高，α相的体积逐渐增加，由片状转变为条状，晶粒逐渐变大，部分区域聚集着α相组织和β相组织交错的类网篮组织，如图1(c)，整体类似于典型的等轴组织，但组织分布不均匀。这是因为β相的转变温度为882.5 ℃，当温度超过882.5 ℃时，α相转变为β相，烧结结束后，随炉冷却至882.5℃时，α相在β相晶界形核，以层片状的形式在β相晶粒中长大，分布在β相基体上，而β相有一部分会分解，转变成条状的α相。

2.2.3 烧结温度对硬度的影响

图2为不同烧结温度下试样的维氏硬度。从图2可以看出，试样的烧结温度在1180～1220 ℃范围内，随着烧结温度的升高，试样的硬度逐步增加，当烧结温度从1180 ℃升高1200 ℃时，硬度增长幅度较大；当烧结温度从1200 ℃升高到1220 ℃时，硬度增长幅度较小，在烧结温度为1220 ℃时达到最大。这是由于随着温度的升高，试样中的孔隙含量也随之减少，硬度也会随着致密度的升高而增加，但是当烧结温度高于1200 ℃以后，致密化过程减慢，试样密度趋于平稳，硬度变化幅度不大。

2.3 保温时间对Ti-6Al-4V合金的影响

2.3.1 保温时间对密度及致密度的影响

表5为不同保温时间的试样密度及致密度，从表5可以看出，样品保温时间在210 ～240 min范围内，随着保温时间的延长，样品的密度及致密度增加，在保温时间为240 min时，致密度最高，达到94.89%，随后致密度略微下降。这是由于在烧结前期，烧结体组织正处于转变期，蠕变、扩散等现象都在这一时期出现，烧结还进一步收缩[8]，变形主要以塑性变形为主，内部结构进一步致密化到了后期，致密化进程减慢，致密度基本维持不变。

(a)1180 ℃

(b)1200 ℃ (c)1220 ℃图1 不同烧结温度下试样的显微组织Fig.1 Microstructure of the specimen at different sintering temperatures

图2 不同烧结温度下试样的维氏硬度Fig.2 Vickers hardness of samples with different sintering temperatures

烧结温度(℃)保温时间(min)密度(g/cm3)致密度(%)2103.96890.2012002404.17594.892704.17394.84

2.3.2 保温时间对显微组织的影响

图3为不同保温时间下试样的显微组织，从图3(a)、3(b)可以看出，试样保温时间在210～240 min范围内，随着保温时间的延长，显微组织上的孔隙逐渐缩小，晶粒变得细小，α相呈片状；当试样的保温时间延长至270 min时，晶粒更加粗大，α相呈条状和片状，见图3(c)。由于随着保温时间增加，烧结更加充分，组织进一步致密，孔隙数量也会减少，当烧结达到一定程度以后，晶粒会随着保温时间的延长而长大[9]。

(a)210 min

(b)240 min (c)270 min图3 不同保温时间下试样的显微组织Fig.3 Microstructure of the specimen at different holding times

2.3.3 保温时间对硬度的影响

图4为不同保温时间的试样维氏硬度，从图4可以看出，试样保温时间在210～240 min范围内，随着保温时间的增加，试样的硬度也增加，在保温时间为240 min时达到最大，为410.03 HV，随后少幅度下降。这是因为随着保温时间的延长，组织处于转变过程中，并且在这一时间段内可能出现重结晶，晶粒开始长大粗化，所以导致了烧结体维氏硬度的下降[10]。

3 结论

(1)试样中的Ti、Al、V元素均在国家标准范围内，氢元素脱除较彻底，但仍残留少量杂质元素，且C、Fe元素残留较多，下一步应改善实验方案，降低C、Fe元素的含量。

(2)试样致密度最高达到了95.47%，还需进一步优化烧结制度；试样的硬度较高，达到了411.30 HV。

图4 不同保温时间的试样维氏硬度Fig.4 Vickers hardness of samples at different holding times