SPS烧结参数对Ti3Al2Mo5Nb室温及低温力学性能的影响

万海峰，许爱军，吴永刚，牛雨曈，汤泽军

SPS烧结参数对Ti3Al2Mo5Nb室温及低温力学性能的影响

万海峰1，许爱军2，吴永刚1，牛雨曈1，汤泽军1

（1. 南京航空航天大学 机电学院，南京 210016；2. 北京卫星制造厂有限公司，北京 100090）

研究SPS烧结温度、保温时间等工艺参数对Ti3Al2Mo5Nb在不同温度下力学性能的影响规律。利用放电等离子烧结（SPS）技术快速烧结，得到致密度较高的Ti3Al2Mo5Nb低温钛合金，通过设置不同的烧结温度及保温时间，结合室温及77 K低温力学性能测试，对不同参数得到的合金的室温及低温性能进行表征，探究SPS烧结过程中工艺参数对Ti3Al2Mo5Nb合金室温及低温力学性能的影响规律。随着烧结温度的升高，合金的致密度、硬度逐渐提高，室温条件下的抗拉强度逐渐提高，伸长率逐渐降低，而77 K条件下合金的抗拉强度逐渐增加，伸长率先增加后减少。随着保温时间的增加，合金的致密度及硬度变化不大，无论在室温还是在77 K低温条件下，合金的强度均先减小后增加，伸长率逐渐减少。微观组织显示，随着烧结温度的增加，相含量逐渐减少，与伸长率的变化相同，这可能是由于相的存在促进了室温变形过程中晶界滑移及低温条件下产生孪晶；随着保温时间的增加，析出的强化相含量先减少后增加，这可能是导致合金强度变化的原因，同时相含量减少，从而导致合金在273 K及77 K条件下的塑性均降低。对低温条件下使用的钛合金而言，在50 MPa压力下，当温度为1050 ℃时，保温5 min得到的样品力学性能最好，过高的烧结温度及保温时间会减少合金中相含量，降低低温塑性。

低温钛合金；SPS烧结；力学性能；低温性能

低温钛合金作为一种重要的低温材料，相比传统低温材料，具有比强度高、耐腐蚀性能好、热传导率低等一系列优点，在航天领域具有重要应用[1—2]。目前，国内外通用的低温钛合金通常为型或近型钛合金，由于不含或仅含有少量相，其工艺塑性差，且不能通过热处理强化[3]。Ti3Al2Mo5Nb合金作为一种新型+低温钛合金，能够克服型低温钛合金不能进行热处理强化的缺点，同时相比传统两相低温钛合金，塑性有了较大提升，具有较高的应用及开发前景。对于航天器结构中的复杂低温部件，例如氢泵叶轮，传统的热成形方法成本高，工序复杂，精度不足，不能很好地满足要求，限制了其进一步应用。粉末冶金技术，相比传统铸锭冶金技术，具有近净成形、组织性能好、无偏析、成本低等一系列优点，是钛合金制备及成形的必然发展趋势[4—6]。放电等离子烧结（Spark plasma sintering，SPS）技术相比其他粉末冶金方法，具有烧结时间短、烧结温度低、晶粒细小、组织可控等特点，逐渐成为近些年的研究热点之一。Jabbar等[7]通过SPS技术烧结出完全致密的Ti-47Al- 2Cr-2Nb合金试样。在制备过程中，Jabbar等发现烧结温度决定了样品的微观组织，当烧结温度为1050～1150 ℃时，烧结样品为等轴组织，当温度升高到1150～1200 ℃时，烧结样品为双态组织。Liang等[8]利用SPS技术成功制备了Ti-48Al-2Cr-2Nb合金，发现压力对粉末的致密化具有重大影响。当载荷为15 MPa时，最低致密烧结温度为1300 ℃，当压力提高到50 MPa，在650 ℃就可以实现致密化。Shanmugasu­ndaram等[9]发现烧结后的晶粒尺寸与初始粉末粒度有关。当初始粉末粒度为2 µm时，烧结后的试样晶粒尺寸为100～150 nm。Martins等[10]探究了烧结时间对SPS致密化的影响，发现在1024 ℃-30 MPa条件下，致密化过程从7 min开始发生，在12 min结束。张金赞等[11]通过SPS技术快速烧结得到了完全致密的TC4块体，相比铸造得到的样品，组织均匀，晶粒细小，合金的强度和硬度有了极大提升。综上，钛合金SPS烧结方面的研究主要集中于材料的制备，而不同烧结工艺对合金性能的影响，特别是低温性能的影响，目前未见报道。文中通过设置不同的烧结参数，探究了烧结温度、保温时间对Ti3Al2Mo5Nb低温力学性能的影响规律，为后续SPS工艺制备低温钛合金零件提供依据。

1 实验设置

1.1 试样制备

以单质Ti粉、Al粉、Mo粉、Nb粉为原料，烧结前需要将粉末混合均匀。根据笔者前期工作，当合金中元素的质量比为Ti︰Al︰Mo︰Nb=90︰3︰2︰5时，合金具有较好的低温力学性能。按照该比例称取金属粉末，放入球磨罐中，然后按照10︰1的球料比（质量比）加入陶瓷磨球，采用XGB2型的行星式球磨机进行混粉，球磨机转速设置为200 r/min，采用间歇运行模式，即每运行45 min暂停15 min，总运行时间为3 h。利用FCT-HPD5型放电等离子烧结设备进行烧结，制备Ti3Al2Mo5Nb低温钛合金块体，具体流程如下：取适量混合均匀的Ti3Al2Mo5Nb粉末，放入内径为35 mm的高强石墨模具中，粉末外包厚度为0.2 mm的石墨纸以便于脱模。预压后安装至SPS炉腔内，抽真空至3 Pa后，逐渐增加压力至10 MPa，然后按照50 ℃/min的升温速率逐渐升温至设定温度，与此同时，压力也在同一时间内增加至设定压力。烧结完成后立即撤除压力，在真空条件下随炉冷却至室温。文中以烧结温度、保温时间两个工艺参数为实验变量，具体烧结方案如表1所示。

1.2 测试方法

将烧结得到的Ti3Al2Mo5Nb合金块体打磨抛光后，采用线切割的方法，将样品切割成标距为12 mm、厚度为1.5 mm的拉伸试样，如图1所示。密度测试采用阿基米德排水法；硬度测试在HV-1000型显微硬度计上进行，在测量过程中，采用1.96 N的试验力，15 s的保压时间。为了减少测量误差，在每一个烧结锭直径方向等距测量5个点，取平均值作为合金的实际硬度。通过光学显微镜观察烧结后样品的微观组织，观察前样品经过打磨抛光后腐蚀，腐蚀剂为Keller试剂。室温及低温力学性能测试在电子万能拉伸试验机（型号为WDW 2000）上进行，该设备最大负载能力为20 kN。为了进行77 K低温力学性能测试，同时避免试样打滑导致的实验误差，对该设备进行了改装，设计了一套低温拉伸专用装置，如图2所示。在实验之前，要保证试样在液氮中充分预冷，同时在拉伸过程中必须严格保证液氮界面完全高于销钉，以此确保试样在拉伸过程中始终处于液氮环境。

表1 SPS烧结实验方案

Tab.1 SPS sintering experiment scheme

图1 Ti3Al2Mo5Nb烧结锭及拉伸试样

图2 77 K低温力学性能测试平台示意

2 结果与讨论

2.1 烧结温度对Ti3Al2Mo5Nb合金微观组织及力学性能的影响

图3a显示了烧结温度对Ti3Al2Mo5Nb合金硬度及致密度的影响。当烧结温度大于950 ℃时，样品的致密度均在99%以上，说明SPS烧结技术可以在短时间内得到致密度良好的钛合金材料。随着烧结温度的增加，致密度随之增加，这是由于在较低的温度下，粉末之间的活化效应不明显，扩散效率低。当烧结温度为950 ℃时，致密度达到99.18%，当温度达到1050 ℃时，致密度为99.20%，再增加温度，对样品致密度提升有限，说明在1050 ℃条件下样品已经接近致密状态。硬度的变化与致密度变化基本相同，致密度提高，合金中的气孔率减少，有助于硬度的提高。

图3b为293 K条件下不同烧结温度得到的Ti3Al2Mo5Nb合金的工程应力应变曲线。随着烧结温度的增加，在293 K条件下，试样的塑性逐渐减小，抗拉强度逐渐提高。在较低的温度条件下，样品致密度较低，相当于截面积更小，从而导致其强度降低。当烧结温度达到1050 ℃时，继续增加烧结温度对材料的室温力学性能影响较小，如图3c所示。在77 K条件下，随着烧结温度的升高，材料的强度、伸长率均提高。当烧结温度高于1050 ℃时，材料的强度基本不发生变化，如图3d所示。综上，从钛合金低温性能角度考虑，1050 ℃是SPS烧结的最优化温度。

图4显示了不同参数下烧结获得的Ti3Al2Mo5Nb微观组织。样品组织中含有大量的相，这与合金配方中含有大量的稳定元素有关。随着烧结温度的升高，相含量逐渐减少，相的含量逐渐增加。相作为钛合金的马氏体相，强度及硬度大于相，导致室温条件下合金强度提高及伸长率降低，同时导致样品硬度增加。通常，随着合金致密度的提高，样品强度和伸长率都提高。当烧结温度为1150 ℃时，合金致密度较高，而伸长率反而降低，根据Hanada等[12—15]的研究，相在低温变形中存在{332}<113>孪晶和应力诱导相变，能大幅度提高合金的低温塑性。因此，当烧结温度超过1050 ℃时，在致密度提高的情况下试样低温塑性降低，其原因在于相含量减少。

图3 不同烧结温度对Ti3Al2Mo5Nb合金力学性能的影响

图4 不同烧结温度下Ti3Al2Mo5Nb合金微观组织

2.2 保温时间对Ti3Al2Mo5Nb合金微观组织及力学性能的影响

图5a显示了不同保温时间下Ti3Al2Mo5Nb合金致密度及硬度的变化。当保温时间大于5 min时，不同保温时间下Ti3Al2Mo5Nb样品致密度均在99%以上，说明合金已经基本致密，继续增加保温时间对致密度影响不大。硬度随保温时间变化不大，说明对于Ti3Al2Mo5Nb合金SPS工艺而言，5 min的保温时间已经足够合金致密化。

图5b显示了不同保温时间、不同温度下Ti3Al2Mo5Nb合金的工程应力-工程应变曲线及力学性能。随着变形温度的降低，合金的抗拉强度大幅度提升，当保温时间为5 min时，伸长率也随之提升，说明在低温条件下，合金变形过程中存在其他的变形机制，从而提高了合金的塑性。当变形温度为293 K时，随着保温时间的增加，样品的伸长率逐渐减小。当保温时间为5 min时，样品的伸长率为19.6%。当保温时间增加至15 min，样品伸长率仅为14.5%，减少了26%，这是由于保温时间的延长导致晶粒粗化。在77 K条件下，材料的性能变化趋势与293 K条件下相同。当保温时间为5 min时，样品伸长率最高，为20.3%。当保温时间为15 min时，样品的伸长率最低，为10%，降低了大约50%。综合上述SPS烧结参数对材料力学性能的影响规律，当烧结温度为1050 ℃，保温时间为5 min时，Ti3Al2Mo5Nb合金在不同温度下的综合力学性能最优。

图5 不同保温时间对Ti3Al2Mo5Nb合金力学性能的影响

不同保温时间微观组织变化如图6所示。随着保温时间的增加，相含量减少，析出相含量先减少后增加。当保温时间为15 min时，能够观察到大块的析出相，可能是过高的保温时间导致析出相聚合生长。当烧结时间为5 min时，样品中包含大量相及细小的析出相，室温和77 K低温条件下均具有较高的强度和塑性。随着保温时间的增加，相含量减少，合金在273 K及77 K条件下的塑性均降低，这是由于相含量的增加促进了室温条件下的晶界滑移及低温条件下形变孪晶的产生[12—16]。

图6 不同保温时间下Ti3Al2Mo5Nb合金微观组织

3 结论

1）随着烧结温度的增加，合金的致密度、硬度逐渐提高，室温条件下的抗拉强度逐渐提高，伸长率逐渐降低，77 K条件下合金的抗拉强度逐渐增加，伸长率先增长后减少。对低温条件下使用的钛合金而言，在50 MPa压力条件下，1050 ℃-5 min是最优的烧结参数。微观组织显示随着烧结温度的增加，相含量逐渐减少，与室温及低温条件下的伸长率变化相同，这是由于相的存在促进了室温变形过程中晶界的滑移及低温条件下孪晶的产生

2）随着保温时间的增加，合金的致密度及硬度变化不大，无论在室温还是在77 K低温条件下，合金的强度均先减小后增加，伸长率逐渐减少。微观组织显示随着保温时间的增加，析出的强化相含量先减少后增加，这是导致合金强度变化的原因，同时由于相含量的减少，导致合金在273 K及77 K条件下的塑性也随之降低。

3）对低温条件下使用的钛合金而言，在50 MPa压力下，当温度为1050 ℃时，保温5 min得到的样品力学性能最好，过高的烧结温度及保温时间会减少合金中相含量，降低其低温塑性。

[1] 许爱军, 万海峰, 梁春祖, 等. 低温钛合金材料应用现状及发展趋势[J]. 精密成形工程, 2020, 12(6): 145—156.XU Ai-jun, WAN Hai-feng, LIANG Chun-zu, et al. Application Status and Development Trend of Cryogenic Titanium Alloy[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2020, 12(6): 145—156.

[2] 朱乐乐, 贾祥亚, 周洪强. 航空航天用低温钛合金研究现状[C]// 全国钛及钛合金学术交流会, 2016.ZHU Le-le, JIA Xiang-ya, ZHOU Hong-qiang. Research Status of Low Temperature Titanium Alloys for Aerospace Applications[C]// National Titanium and Titanium Alloy Symposium, 2016.

[3] 黄朝文. 低温钛合金的研究进展[J]. 稀有金属材料与工程, 2016(1): 254—260.HUANG Chao-wen. Research Progress of Low Temperature Titanium Alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2016(1): 254—260.

[4] TÜLAY, YILDIZ, NIDA, et al. The Effect of Sintering Temperature on Microstructure and Mechanical Properties of Alloys Produced by Using Hot Isostatic Pressing Method[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2018, 737: 8—13.

[5] CAI Chao, SONG Bo, XUE Peng-ju, et al. Effect of Hot Isostatic Pressing Procedure on Performance of Ti6Al4V: Surface Qualities, Microstructure and Mechanical Properties[J]. Journal of Alloys & Compounds, 2016, 686: 55—63.

[6] 麻西群, 于振涛, 刘汉源, 等. SPS法制备Ti-3Zr-2Sn- 3Mo-25Nb合金的组织与性能[J]. 中国有色金属学报, 2019, 29(1): 80—86.MA Xi-qun, YU Zhen-tao, LIU Han-yuan, et al. Microstructure and Properties of Ti-3Zr-2Sn-3Mo-25Nb Alloy Prepared by SPS Method[J]. Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2019, 29(1): 80—86.

[7] JABBAR H, MONCHOUX J P. Microstructure and Mechanical Properties of High Niobium Containing Ti Al Alloys Elaborated by Spark Plasma Sintering[J]. Intermetallics, 2010, 18: 2312—2321.

[8] LIANG J M, CAO L. Microstructure and Mechanical Properties of Ti-48Al-2Cr-2Nb Alloy Joints Produced by Transient Liquid Phase Bonding Using Spark Plasmasintering[J]. Materials Characterization, 2019, 147: 116—126.

[9] SHANMUGASUNDARAM T, GUYON J, MONCHOUX J P, et al. On Grain Refinement of a-TiAl Alloy Using Cryo-Milling Followed by Spark Plasma Sintering[J]. Intermetallics, 2015, 66: 141—148.

[10] MARTINS D, GRUMBACH F. Spark Plasma Sintering of a Commercial TiAl48-2-2Powder: Densification and Creep Analysis[J]. Materials Science and Engineering: A, 2018, 711: 313—316.

[11] 张金赞. 放电等离子烧结Ti-6Al-4V的组织与性能研究[J]. 重型机械, 2017(1): 35—38.ZHANG Jin-zan. Microstructure and Properties of Ti-6Al-4V Prepared by Spark Plasma Sintering[J]. Heavy Machinery, 2017(1): 35—38

[12] HANADA S, OZEKI M, IZUMI O. Deformation Characteristics in Β Phase Ti-Nb Alloys[J]. Metallurgical Transactions A, 1985, 16(5): 789—795.

[13] HANADA S, TAKEMURA A, IZUMI O. The Mode of Plastic Deformation ofTi-V Alloys[J]. Transactions of the Japan Institute of Metals, 1982, 23(9): 507—517.

[14] ISHIYAMA S, HANADA S, IZUMI O. Orientation Depe Nbence of Twinning in Commercially Pure Titanium[J]. Journal of the Japan Institute of Metals & Materials, 1990, 54(9): 976—984.

[15] HANADA S, YOSHIO T, IZUMI O. Plastic Deformation Mode of RetainedPhase in Beita-Eutectoid Ti-Fe Alloys[J]. Journal of Materials Science, 1986, 21(3): 866—870.

[16] 王长浩. Beta钛合金的形变机制及性能研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2018.WANG Chang-hao. Study on Deformation Mechanism and Properties of Beta Titanium Alloy[D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University, 2018.

Effect of SPS Sintering Parameters on Mechanical Properties of Ti3Al2Mo5Nb Alloy at Room and Low Temperatures

WAN Hai-feng1, XU Ai-jun2, WU Yong-gang1, NIU Yu-tong1, TANG Ze-jun1

(1. School of Mechatronics, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China; 2. Beijing Satellite Manufacturing Factory, Beijing 100090, China)

The influence of SPS sintering temperature and holding time process parameters on the mechanical properties of Ti3Al2Mo5Nb at different temperatures was studied. Using spark plasma sintering (SPS) technology for rapid sintering, a high-density Ti3Al2Mo5Nb low-temperature titanium alloy is obtained. By setting different sintering temperatures and holding times, combined with room temperature and 77 K low-temperature mechanical performance tests, the alloys obtained with different parameters are The room temperature and low temperature properties were characterized, and the influence of process parameters on the mechanical properties of Ti3Al2Mo5Nb alloy at room temperature and low temperature during the SPS sintering process was explored. As the sintering temperature increases, the density and hardness of the alloy gradually increase, the tensile strength at room temperature gradually increases, and the elongation gradually decreases, while the tensile strength of the alloy gradually increases at 77 K, and the elongation first increases After reducing. As the holding time increases, the density and hardness of the alloy do not change much. The strength of the alloy first decreases and then increases, and the elongation decreases gradually, no matter at room temperature or at a low temperature of 77 K. The microstructure shows that as the sintering temperature increases, the content ofphase gradually decreases, which is the same as the change in elongation. This may be due to the existence ofphase that promotes grain boundary slip during room temperature deformation and the generation of twins under low temperature conditions; As the holding time increases, the content of the precipitated strengthening phase increases successively, which may be the reason for the change in the strength of the alloy, and at the same time the content of thephase decreases, which leads to the decrease of the plasticity of the alloy under the conditions of 273 K and 77 K. For titanium alloys used under low temperature conditions, at a pressure of 50 MPa, when the temperature is 1050 ℃, the mechanical properties of the samples obtained by holding for 5 minutes are the best. Too high sintering temperature and holding time will reduce the content ofphase in the alloy, then reduce low temperature plasticity.

low temperature titanium alloy; SPS sintering; mechanical properties; low temperature properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.03.017

TG146.2+3

A

1674-6457(2021)03-0137-06

2021-03-21

装备预研领域基金（61409220123）

万海峰（1995—），男，硕士生，主要研究方向为钛合金材料制备及成形。

汤泽军（1981—），男，博士，副教授，主要研究方向为轻质合金精密成形。