正交法研究添加Y2O3对Ti-6Al-4V合金组织与性能的影响

罗铁钢，王昆昆，符乃科,李 志

(1. 广东省材料与加工研究所，广东 广州 510650)(2. 南昌航空大学，江西 南昌 330038)

钛及钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀性好和生物相容性优良等优点，被应用于航空航天、石油化工、生物医疗等领域[1]。但由于钛及钛合金机加工困难，限制了其更广泛的应用[2]。采用粉末冶金技术可实现钛及钛合金的近净成形制备，降低加工难度和生产成本，是拓展钛及钛合金应用的重要途径之一。

放电等离子烧结(spark plasma sintering，SPS)是粉末冶金技术中的一个重要方法，它通过在粉末内通入脉冲电流使颗粒之间放电，瞬间产生局部高温，从而实现材料烧结，具有升温速率快、烧结时间短、组织结构可控等优点，尤其在制备高致密度、均匀、细晶材料方面有独特的优势[3-4]。添加稀土元素能改变钛合金的微观结构,从而改善其性能，如Y、 La、Ce、Pr、Nd、Pm等被用来提高钛合金的韧性、强度及抗腐蚀能力[5-6]。因此，研究采用SPS技术制备钛及钛合金时，稀土元素的作用机制及SPS烧结工艺对其性能的影响规律，对于获得高性能钛及钛合金制品具有很好的指导意义。

正交实验是优化工艺设计的主要方法之一[7-8]，它能通过少量实验有效确定出影响钛合金烧结密度和力学性能的关键因素，通过对实验结果分析，可以揭示钛合金烧结密度及力学性能与各因素不同水平的关系[9]，从而实现对钛合金性能的调控。因此，本研究采用正交实验探究Y2O3含量对Ti-6Al-4V合金组织、烧结密度、力学性能的影响，旨在应用SPS技术制备接近全致密的Ti-6Al-4V合金，得到最佳的烧结工艺，并揭示其影响规律，为拓展钛及钛合金的应用提供借鉴。

1 实 验

实验所用Ti-6Al-4V合金粉(粒径15～45 μm)和Y2O3粉均为市购，其SEM形貌如图1所示。分别取一定量的Y2O3和Ti-6Al-4V合金粉，采用V型混料器混料2 h，得到含有0.2%、0.6%和0.8%(质量分数，下同)Y2O3的Ti-6Al-4V合金粉。将混合好的粉末置于SPS-30型烧结炉中进行烧结。采用正交实验研究以下工艺参数对烧结Ti-6Al-4V合金致密度及力学性能的影响:(A)烧结温度；(B)烧结压力；(C)保压时间；(D)Y2O3含量。由于烧结炉的额定压力值为60 MPa，额定温度为1 300 ℃，参考前期的实验经验，设定的正交实验因素和水平见表1。

图1 Ti-6Al-4V合金粉和Y2O3粉的SEM照片Fig.1 SEM images of Ti-6Al-4V alloy powders(a) and Y2O3 powders(b)

按表2所示L9(34)正交实验方案进行试样烧结。烧结样品用线切割取样，加工成φ3.5 mm×5.3 mm的圆柱压缩试样。采用岛津SHIMADZU AG-X电子万能试验机进行室温压缩试验。采用JEM-2100F透射电镜(TEM)观察钛合金组织和Y2O3颗粒的界面结合情况。采用JXA-8100扫描电镜(SEM)和光学显微镜观察烧结试样的显微组织。采用阿基米德排水法测量烧结试样的密度。

表1正交实验的因素和水平

Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments

表2L9(34)正交实验方案

Table 2 L9(34) orthogonal design of experiments

2 结果与讨论

2.1 显微组织

图2为不同方案烧结的Ti-6Al-4V合金金相照片。从图2可以看出，不同方案烧结的合金组织均为粗片层状的β转变组织，在晶内的片层α钛相互交错形成网篮组织，在晶界处存有排列方向一致的α集束；且随着烧结温度升高，α集束逐渐减少。

图3为1 200 ℃下烧结的不同Y2O3含量的Ti-6Al-4V合金背散射电子像。因Y元素的相对原子质量比钛合金中的其他元素都大，因此图中亮点为Y2O3颗粒，通过能谱分析也证实了这一点。从图3可以看出，多数Y2O3颗粒呈椭圆形，也有少部分呈长棒状，且随着含量的增多，分布依然比较均匀，并未出现聚集析出现象。在图3a、b中可以很明显的看到有许多纵横交错的β转变组织。

图2 不同方案烧结的Ti-6Al-4V合金金相照片Fig.2 Metallographs of Ti-6Al-4V alloy prepared by different experiments:(a)experiment 3；(b)experiment 6； (c)experiment 9

图3 不同Y2O3含量的Ti-6Al-4V合金背散射电子像Fig.3 EBSD images of Ti-6Al-4V alloy with different Y2O3 content:(a)0.2%； (b)0.6%； (c)0.8%

图4为1 200 ℃烧结的Ti-6Al-4V合金(Y2O3含量为0.8%)TEM照片。从图4可以看出，Y2O3颗粒呈椭圆形镶嵌在α和β钛晶界处，且Y2O3颗粒与Ti-6Al-4V基体界面结合紧密，这说明1 200 ℃时， Y2O3颗粒与Ti-6Al-4V基体界面具有很高的结合强度。

图4 1 200 ℃烧结的Ti-6Al-4V合金TEM照片Fig.4 TEM image of Ti-6Al-4V alloy sintering at 1 200 ℃

2.2 烧结密度和力学性能

表3为不同实验方案烧结的Ti-6Al-4V合金的密度及压缩强度。从表3可以看出，方案9所得Ti-6Al-4V合金的烧结密度最高，方案7所得Ti-6Al-4V合金的压缩强度最高。

表3不同方案烧结的Ti-6Al-4V合金的密度和压缩强度

Table 3 Density and compressive strength of Ti-6Al-4V alloys under different experiments

2.2.1 烧结密度

表4为Ti-6Al-4V合金烧结密度的L9(34)正交实验结果极差分析。从表4可以看出，4个因素(烧结温度、压力、保压时间、Y2O3含量)对Ti-6Al-4V合金烧结密度的影响程度各有不同，从大到小依次为烧结温度、压力、Y2O3含量和保压时间。Y2O3含量对Ti-6Al-4V合金烧结密度的影响不大，这是因为在1 100 ℃烧结时Ti-6Al-4V合金已比较致密，没有明显的孔隙，其中在A3B3C2D1或A3B3C2D2烧结条件下的密度最高，但A3B3C2D2实验条件该组合未出现在正交实验中，故采用式(1)和式(2)估算相应的指标值。

(1)

(2)

表4钛合金烧结密度的L9(34)正交实验结果极差分析(g·cm-3)

Table 4 Analysis of L9(34) orthogonal experiments results of density of Ti-6Al-4V alloys

2.2.2 力学性能

表5为Ti-6Al-4V合金压缩强度的L9(34)正交实验结果极差分析。从表5可以看出，4个因素对Ti-6Al-4V合金压缩强度的影响程度各有不同，从大到小依次为烧结温度、Y2O3含量、压力和保压时间。Y2O3含量对Ti-6Al-4V合金力学性能的影响仅次于烧结温度，这是因为在1 100 ℃时Ti-6Al-4V合金已接

表5Ti-6Al-4V合金压缩强度的L9(34)正交实验结果极差分析(MPa)

Table 5 Analysis of L9(34) orthogonal experiments results of mechanical properties of Ti-6Al-4V alloys

近全致密，加入Y2O3颗粒并不会对其密度有显著影响，而Y2O3颗粒的加入会阻断β钛的生成，并且钉扎在β钛处(见图4)，阻碍β钛的滑移，从而提高Ti-6Al-4V合金的压缩强度。从表5可以得出，在A3B3C3D2烧结条件下的压缩强度最大，但该组实验未出现在正交试验中，采用式(1)和式(2)估算相应的指标值。

由于采用阿基米德法测量密度时可能会产生一定的误差，故本实验没有选择较高的显著水平，而是选择α=0.05，查表可得F0.05=19.0。通过计算，各因素对钛合金力学性能的偏差分析结果见表6。从表6可知，烧结温度对Ti-6Al-4V合金压缩强度有显著影响，其他3因素对压缩强度的影响不大。

表6各因素对Ti-6Al-4V合金压缩强度的偏差分析结果

Table 6 Deviation analysis results of various factors on mechanical properties of Ti-6Al-4V alloys

2.3 最佳烧结参数

表7为极差分析法优选结果。从表7可见，烧结温度对密度和力学性能的影响最大。在1 200 ℃烧结时，Ti-6Al-4V合金的密度最大，压缩强度也最高，因此烧结温度选择1 200 ℃。而对密度来说，Y2O3对Ti-6Al-4V合金的密度影响程度不大，但对力学性能的影响程度较大，仅次于温度，这是因为在烧结过程中Y2O3合理阻碍了β钛的生长，起着钉扎的作用。根据表7，Y2O3含量为0.6%时，密度和压缩强度的最佳烧结压力均为50 MPa。这是因为在1 100～1 200 ℃区间内Y2O3颗粒需要借助温度和压力与Ti-6Al-4V合金基体紧密结合，所以压力选择50 MPa。而对于保压时间的选择，因其对压缩强度的影响最小，因此在计算各因素对Ti-6Al-4V合金力学性能的偏差分析时把保压时间作为误差项，故以最大密度的保压时间为准，为5 min。

表7极差分析法优选结果

Table 7 Prefered results of range analysis

由表4、表5和表7可知，随着烧结温度的升高，烧结样的密度和压缩强度逐渐增大，且在Y2O3含量为0.6%时压缩强度最高。根据极差法优选出的工艺参数为烧结温度1 200 ℃、压力50 MPa、保压时间5 min、Y2O3含量0.6%，此时烧结样的密度和压缩强度分别达到4.413 8 g/cm3、1 881.4 MPa。按此工艺获得的Ti-6Al-4V合金压缩强度与宋紫薇[10]用热压法制备的钛铝合金相当，略低于张长江[11]以铸造方式制备的Ti-6Al-2.5Sn-4Zr-0.7Mo-0.3Sn-0.3Y合金，但塑性高于以铸造方式制备的Ti-6Al-4V合金。

2.4 性能对比

图5为在温度1 200 ℃、压力50 MPa、保温时间5 min条件下得到的不含Y2O3的Ti-6Al-4V合金金相照片。由图5可以看出，未添加Y2O3的Ti-6Al-4V合金组织为晶间α+全片层β转变组织，而添加Y2O3后的组织为细片层β转变组织(图2)。

图5 不含 Y2O3的Ti-6Al-4V合金金相照片Fig.5 Metallograph of Ti-6Al-4V alloy without Y2O3

经测量，0.6% Y2O3的Ti-6Al-4V合金压缩强度为1 881 MPa，相比同等条件下不含Y2O3的Ti-6Al-4V合金的压缩强度(1 625 MPa)提高了15.7%。

3 结 论

(1)通过正交实验，得到Ti-6Al-4V合金的最佳烧结工艺参数为:烧结温度1 200 ℃、压力50 MPa、保压时间5 min、Y2O3含量0.6%。在该条件下烧结样的密度和力学性能较高，分别达到4.413 8 g/cm3、1 881.4 MPa，相比未添加Y2O3的Ti-6Al-4V合金压缩强度提高15.7%。

(2)影响Ti-6Al-4V合金烧结密度的因素从大到小依次为烧结温度、压力、Y2O3含量、保压时间；影响力学性能的因素从大到小依次为烧结温度、Y2O3含量、压力、保压时间。添加Y2O3颗粒会阻断β钛的生成，并且钉扎在β钛处，阻碍β钛的滑移，因此能够提高Ti-6Al-4V合金的压缩强度。