稀土钕对钛合金物理性能的影响

朱兴伟

(安徽医学高等专科学校 基础部，安徽 合肥 230601)

钛及钛合金具有优良的综合力学性能，其比强度、比刚度高、耐腐蚀性能强、抗疲劳和高温蠕变性能好，广泛应用在各行各业，被誉为“未来金属”[1-3]。近年来，随着制造业水平不断提升，钛材应用范围日益扩大，尤其在民用领域有了长足发展，钛材制品逐渐走进了千家万户[4-5]。

钛材冷变形性能较差，传统的机械加工制备技术应用非常有限。近年来，由于近净成形技术的特点，粉末冶金技术已经开始用于制造钛及钛合金制品[6-8]。然而，钛粉的高活性以致最终粉末冶金成品的氧含量较高，严重影响了延性[9-10]。拟利用氢化脱氢(HDH)钛粉末加入不同含量的钕粉，通过真空烧结研究不同含量的钕粉对钛中杂质氧含量的影响，深入探讨添加稀土钕对钛合金物理性能(包括屈服应力、抗拉强度、延伸率等指标)的影响。

1 试验方法和过程

1.1 试验材料

粉末原料为北京浩运有限责任公司提供的HDH Ti粉和长沙天久金属材料有限公司提供的稀土钕粉末。原料粉末的成分及粒度如表1和表2所示，粒度分布如图1、图2所示。

表2 Nd粉的成分(wt.)和粒度

图2 Nd粉末粒度分布曲线

1.2 试验流程

本实验采用工艺流程如图3所示。

图3 实验工艺流程图

1.制备混合粉末。采用人工干混的方式，将Ti粉和Nd粉按不同质量比例(如表3所示)混合均匀。

表3 粉末原料配比

2.压制成形状。采用YH41-25C压机进行压制成形，样品示意图如图4所示。

图4 P/M拉伸样

3.烧结。钛对C、O杂质极其敏感，必须在高真空环境下进行烧结。本实验在VSF-112烧结炉中进行，烧结温度为1200℃，保温时间2h，真空度维持在10～3Pa，炉温自然冷却到常温。

1.3 试验设备

实验中各工序所使用的设备及型号见表4。

表4 实验设备一览表

1.4 测试方法

重量测量。采用电子天平测量，精度为0.01g。

密度测量。最终试样的密度测量采用阿基米德排水法进行测量，测量仪器采用电子天平，精度为0.01g。

力学性能测试。在电子万能试验机上进行，测试烧结后试样的抗拉强度、屈服强度和延伸率。

金相显微分析。试样的金相样品按常规方法制备，腐蚀液由蒸馏水50mL、HNO3(密度为1.4g/cm3)4mL、HF酸(40wt.%)1mL混合成的酸洗液，腐蚀10～15秒。金相观察在金相显微镜上进行。

2 结果与分析

2.1 钕含量对钛相对密度和拉伸性能的影响

表5 试样的拉伸性能

图5 钛中钕含量与相对密度的关系

图6 钛中钕含量与拉伸强度的关系

由表5、图5、图6可知，钛中添加不同含量的钕时，与不含钕的合金相比，合金的室温拉伸强度和相对密度均有比较明显的提高，延展性也有一定的提高。

在一定的范围内，随着钕含量的不断增加，合金的拉伸强度从386MPa升高到661MPa，相对密度从94.9到98.2以及延展性从2.4%到6.5%。超过这个范围，随着钕含量的增加，合金的拉伸强度、相对密度以及延展性都有不同程度的降低。

图7 Ti-Nd二元合金相图

如图7所示为Ti-Nd二元合金相图。钕在钛中的溶解度在1.5wt%左右，烧结温度高于钕的熔点1025℃，过量的钕以熔融状态分散在钛粉表面，可以吸收钛粉表面的氧杂质，形成更为稳定的钕的氧化物[11]。该烧结温度下试样中的钕为液相，添加的Nd超过固溶度时，试样的致密化程度有一定的提高；然而，当钕含量过高时，该烧结温度下过量的Nd以液相存在，易从试样表面挥发，使得试样中留下很多孔隙，导致合金的相对密度降低。

根据Ti-Nd二元相图，Ti-Nd没有产生中间化合物，因此Nd对Ti力学性能的影响机理主要是固溶强化和净化杂质，一是Ti基体的抗拉强度受到O固溶强化作用影响；二是Nd的固溶强化作用；三是过量Nd吸收O后形成Nd氧化物，起到弥散强化作用。Nd含量为1.2wt%时，小于Nd在Ti中的固溶度1.5wt%，Nd完全固溶在Ti中，起到了固溶强化作用，同时还有极少量偏聚状态Nd能够净化Ti基体中的O，从而延性和抗拉强度相对纯Ti有所提升。当Nd含量超过固溶度时，过量的Nd吸收了Ti基体中的O，延性显著提高，但是由于Ti基体中的O被净化，O产生的固溶强化作用弱化，从而整体抗拉强度有所降低，同时Nd的氧化物起了一定的弥散强化作用，共同作用下试样抗拉强度略为降低，降幅在5% 以内，几乎可以忽略不计。当Nd含量为5.6wt%时，由于Nd的蒸发作用，试样密度显著降低，拉伸性能和致密度都明显下降。

2.2 钕对钛显微结构的影响

从图8中可知，白色的相为钛相，黑色的相为钕相，而灰色的相为孔洞。由于钕在钛的溶解度很小，因此钕绝大部分分布在基体的晶界处，钕在烧结过程中为液相，可以看到晶界处是比较模糊的。

由图8的金相图片可以看出，添加钕后，试样的孔隙率明显降低，孔径也略大于纯Ti试样，纯Ti、Ti-2.4Nd、Ti-4.0Nd、Ti-5.6Nd晶粒尺寸分别为37μm、32μm、31μm、30μm，添加钕后明显有晶粒细化的现象。同时，添加钕试样在晶界处分布了一些黑色形状不规则的颗粒，直径不到9μm，推断其为钕颗粒或者钕的氧化物颗粒，作为第二相弥散在晶界上。

图8 Ti-Nd试样的金相图片

烧结时，弥散的第二相(如孔隙、夹杂物等)对晶界迁移有一定的阻碍作用，第二相越多，对晶粒长大的阻碍作用越大。由于钛基体中加入钕时，基体中孔隙的数量减少，有利于晶粒长大；同时弥散稀土钕或者钕的氧化物能够阻碍晶粒长大。从实验结果来看，后者对晶粒长大的阻碍作用要明显大于前者的促进作用，因此添加钕后的试样晶粒尺寸要小于纯钛试样。

3 结论

(1)添加一定量的Nd能够显著提高纯钛的力学性能，Nd含量在0至4wt%之间，随着钕含量的不断增加，合金的力学性能提升。

(2)添加钕后试样孔隙含量明显减少,孔径比基体合金的略微粗化,大孔的数量也增加。与不含钕的纯钛试样相比,添加钕的试样晶粒度明显细小，这说明钕对钛产生了明显的晶粒细化作用。