元素Cr含量对粉末冶金TC4合金组织与性能的影响

张豪胤，祝要民, 2，王文焱, 2，谢敬佩, 2，徐 坚, 元亚莎，许开辉



元素Cr含量对粉末冶金TC4合金组织与性能的影响

张豪胤1，祝要民1, 2，王文焱1, 2，谢敬佩1, 2，徐 坚1, 元亚莎1，许开辉1

(1. 河南科技大学材料科学与工程学院，洛阳471003;2. 河南省有色金属协同创新中心，洛阳 471023)

采用冷等静压+真空烧结+热等静压(CHIP)法制备不同Cr含量的TC4钛合金，通过金相显微镜分析、力学性能测试、扫描电镜分析及透射电镜分析等方法研究Cr元素对TC4微观组织与性能的影响。结果表明：随Cr元素含量增加，TC4合金的抗拉强度、抗压强度升高，伸长率逐渐下降。Cr含量为2%时，TC4合金的抗拉强度为982 MPa，伸长率为14%，抗压强度为1 632 MPa，综合力学性能较好。

钛合金；粉末冶金；微观组织；力学性能

钛合金具有密度低、比强度高、抗腐蚀性能及生物相容性好等优点。在航空、航天、汽车、舰艇及生物医学等领域都有广泛的应用。被誉为“现代金属”、“战略金属”[1−2]。但由于传统的钛合金制备工艺耗能大、周期长、材料利用率低等缺陷，导致钛合金价格昂贵，阻碍其发展应用。与传统冶金工艺相比，粉末冶金技术由于具有近净成形的优势，能够显著提高材料利用率，大大降低加工成本，并且能够得到性能优越、组织均匀、晶粒细小的钛合金材料，因此成为推动钛合金发展的重要技术[3−5]。

TC4钛合金具有良好的综合力学性能，在军工和民用等领域都有广泛的应用。但随着现代科技的发展，人们对材料性能的要求越来越高。由于合金化元素对粉末冶金钛合金组织和性能具有重要影响[6]，预期Cr元素的加入会提高合金的抗压强度等，但是由于普通烧结法制备的钛合金致密度不高，因此本研究采用冷等静压+真空烧结+热等静压(CHIP)方法制备不同Cr含量的Ti-6Al-4V(TC4)基合金，研究Cr含量对TC4组织与性能的影响，为其实际应用提供参考依据。

1 实验

1.1 试样的制备

实验所用原料为钛粉、铝粉、钒粉、铬粉，平均粒径为50 μm，钛合金名义成分如表1所列。按照配比称量粉末，混料处理后将粉末装入橡胶包套，在冷等静压机中压成生坯，压力为300 MPa，保压1 h。然后将压坯置于真空度为1×10−5Pa的环境中烧结，烧结温度为1 300 ℃、保温3 h、随炉冷却。再将烧结坯放入热等静压炉内，抽真空并用Ar气洗炉，加热升压，压力110 MPa，温度940 ℃，保温1 h，随炉冷却。最终得到直径40 mm，高70 mm的圆柱形试样。

表1 实验合金的名义成分

1.2 性能测试与检测

样品密度采用阿基米德排水法测量，每组测量3个试样，取平均值。试样抛光后采用Kroll腐蚀剂(配比为HF:HNO3:H2O=1:3:7)进行腐蚀，使用金相显微镜观察试样微观组织。室温压缩和拉伸性能测试在日本岛津AG-I250kN精密万能实验机上进行，压缩测试的试样尺寸为直径6 mm、高7 mm，加载速率1 mm/min；拉伸实验参照GB/T228-2002“金属材料室温拉伸试验方法”进行，拉伸试样的尺寸如图1所示。用JSM- 5610LV型扫描电镜观察断口的微观形貌。

2 结果与讨论

2.1 合金的显微组织分析

图2所示为不同Cr含量的TC4钛合金的微观组织形貌。从图2可以看出，由CHIP法制备的合金十分致密，孔隙基本消除，只有少许微小的球形封闭孔隙存在。图2(a)、(b)分别为添加1%、2%Cr元素的TC4钛合金微观组织形貌，其组织主要由一些不连续的初生α相和β转变组织构成。其中初生α相的含量不足50%，且主要分布在β转变组织的基体上。图中的初生α相存在两种形态：一种是片状的α集束域，分布在β转变组织中；另一种是等轴α相，分布在转变β组织间。在钛合金中这种组织称为双态组织[7−8]。当Cr含量增加到3%、4%时，合金的组织具有明显的魏氏组织特征。从图2(c)、(d)中可以看到完整清晰的β晶粒，连续的条状α相分布在β晶界上，呈细针或粗针状规则排列，β晶粒内还存在片状的α相集束 域[9−10]。

图1 拉伸试样

Cr元素含量的不同是导致钛合金组织形貌不同的主要原因。Cr元素属于β稳定元素，能够降低β相转变温度。Cr元素越多，β相转变温度越低。当Cr元素含量为1%、2%时，β相转变点下降较少，940 ℃处于两相区上部，在加热保温后的缓慢冷却过程中，可以得到双态组织。随Cr含量增多，β相转变温度逐渐下降，940 ℃会高于β相转变温度，这时加热保温，再缓慢炉冷就会得到针状魏氏组织。

2.2 合金的相分析

图3为不同Cr含量的TC4合金的XRD图谱，由图3可知：不同Cr含量的TC4合金均由α+β相组成，并没有其它析出相生成。由于Cr元素是β相的同晶型元素，可以降低β相变点，提高β相的稳定性，所以随Cr含量增多，α相数量逐渐减少，β相数量逐渐增多。当Cr含量为1%、2%时，2角为57°左右没有衍射峰；当Cr含量增加到4%时，2角为57°左右的衍射峰已能被清楚地看到，表明β相增加较为明显。

2.3 合金的力学性能

2.3.1 Cr元素对TC4合金拉伸性能的影响

图4为不同Cr含量的HIP态TC4合金抗拉强度与伸长率曲线。由图可见，随Cr含量增加，TC4合金的抗拉强度逐渐增加。添加4%的Cr元素时，抗拉强度最大为1 077 MPa。而合金的伸长率随Cr元素增加逐渐降低。当Cr元素的含量为1%、2%时，钛合金的塑性较好，伸长率分别为15%、14%。这是由于添加1%、2%的Cr元素时，合金的组织为双态组织，而钛合金双态组织具有较好的拉伸塑性。Cr含量为3%、4%时，钛合金的组织变为魏氏组织，合金的伸长率明显下降。

图2 940 ℃时不同Cr含量的TC4合金微观组织形貌

图3 不同Cr含量的TC4合金的X射线衍射谱

图4 不同Cr含量TC4合金的抗拉强度与延伸率

图5为不同Cr含量TC4合金的拉伸断口形貌。由图5可知，4种断口形貌中解理面与韧窝混合在一起，属于解理+韧窝的“混合型”断裂[11−13]。在这种断裂方式中，解理面往往在初生α0相上形成，而发展不完全的韧窝在β相中形成。图5(a)、(b)中标出了由初生α0相形成的解理面和β相形成的韧窝。当Cr含量为1%时，韧窝较多，解理面较少；随Cr含量增加，韧窝逐渐减少、变浅，解理面变大，且数量增多，3%Cr时合金出现了一个较大的解理面，如图(c)中箭头所指区域；4%Cr时，合金的韧窝最少、最浅，解理面较多，合金伸长率明显弱于1%和2%Cr含量时的TC4合金。这表明TC4合金中Cr含量在1%~4%之间时Cr元素含量越高，TC4合金的韧性越低。

图5 不同Cr含量TC4合金的拉伸断口形貌

2.32 Cr元素对TC4合金压缩性能的影响

粉末压制合金抗压强度的大小，可衡量粉末成形性能的优劣[14]。对CHIP态的不同Cr含量的TC4合金进行抗压强度与致密度的测试，结果如图6所示。随Cr含量增加，合金抗压强度逐渐增加。1%Cr时，合金的抗压强度为1 584 MPa；2%Cr时，抗压强度增加到1 632 MPa。Cr元素的添加明显提高TC4合金的抗压性能。添加4%Cr时，合金的抗压强度达到1 705 MPa，与Cr含量为3%时相比，抗压强度增加较少。所以Cr元素的添加，能够提高粉末的成形性能。

图6 不同Cr含量的TC4合金的抗压强度与致密度

相关研究表明，随合金致密度降低，其强度会呈指数趋势下降[12]。由图6可知，随Cr含量增加，合金的致密度基本不变，Cr含量为4%时，合金致密度为99.537%；而结合图4可知，抗拉强度、抗压强度却升高。这主要是由于Cr元素的添加对TC4合金起到固溶强化作用，且能够显著增强合金的抗拉强度与抗压强度。所以对于1%~4%Cr含量的TC4合金，其抗拉强度、抗压强度随Cr元素增加而升高。

图7为不同Cr含量的TC4钛合金压缩断口形貌。由图7可见，不同Cr含量的TC4钛合金的试样断口均存在一些剪切韧窝，其中Cr含量为1%、2%的钛合金韧窝较多，Cr含量为3%、4%的合金韧窝较少。图7(a)中A为剪切韧窝，图7(b)中B为剪切唇区。观察发现合金剪切方向与裂纹扩展方向成45°角。韧窝大多数呈抛物线形，其弧顶指向断裂根部的裂纹生核点，所有韧窝与剪切方向平行，断口上剪切韧窝的长轴均指向同一方向，且与匹配断口的剪切韧窝长轴指向相反，这些均是剪切韧窝的特征。比较4种合金的综合性能，Cr含量为2%时，合金性能较好。

图7 不同Cr含量的TC4合金压缩断口形貌

2.4 透射电镜分析

相关研究表明：TiCr2是含Cr钛合金的一种主要析出相，它一般沿α/β界面，以颗粒状析出。TiCr2会增大合金的脆性，对合金的性能影响很大[14]。TiCr2相主要出现在Cr＜5%(质量分数)的钛合金中。图8所示为Cr含量为2%的TC4合金的TEM像、对应的电子衍射花样及能谱分析。图8(a)、(b)分别为合金不同部位的TEM像，结合辅助软件MDI Jade 5.0标定图(a)中的白色区域A和图(b)中黑色条状区域B，图(c)、(d)的衍射花样分别对应图(a)中白色区域A和图(b)中黑色区域B，图(e)、(f)分别是图(a)中白色区域A和图(b)黑色区域B的能谱分析。通过电子衍射花样标定，图8(c)、(d)分别为α-Ti、β-Ti的衍射斑点。图8(c)对应的衍射斑点是晶带轴为[1100]内的晶面，对该图进行标定可知，合金中α-Ti的点阵结构为密排六方结构，点阵常数为：＝0.295 1 nm，＝0.468 4 nm；图8(d)中的电子束入射方向为β-Ti的[131]，β-Ti的点阵结构为体心立方结构，点阵常数为：=0.328 2 nm。由能谱分析可知，A区中含有较多Al元素，而B区中含有较多V和Cr元素。这是由于A区为α相，能够溶解较多的α稳定元素(如Al元素)，而B区为β稳定元素，能够溶解较多的β稳定元素(如V、Cr元素)。观察图8(a)、(b)可知，添加2%Cr的TC4合金中只有α相和β相存在，在α/β界面(白色区域A和黑色区域B的交接处)并未有颗粒状的TiCr2相析出。同时结合不同Cr含量的TC4合金的X射线衍射图谱(图3)可知：试验所制备的2%Cr含量TC4合金中只存在α+β相，没有其它析出相生成。

图8 合金不同部位的TEM及能谱分析

3 结论

1) 当Cr元素含量为1%、2%时，TC4合金为双态组织。当Cr含量为3%、4%时，该合金组织具有魏氏组织的特征。

2) 随Cr元素增加，TC4合金的抗拉强度、抗压强度增大，伸长率下降。由CHIP法制备的Cr含量为2%的TC4合金，抗拉强度为982 MPa，伸长率为14%，抗压强度为1 632 MPa，其综合力学性能较好。

3) 不同Cr含量的TC4合金，其拉伸断口具有较多韧窝和少量解理面，属于解理+韧窝的“混合型”断裂。压缩断口具有较多剪切韧窝。Cr含量为2%时，钛合金断口的韧窝较多，韧性较好。

4) 2%Cr含量TC4合金中只存在α+β相，α/β界面处没有硬脆相TiCr2析出。

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(编辑 高海燕)

Effect of Cr element addition on microstructure and mechanical properties of powder metallurgy TC4 alloy

ZHANG Hao-yin1, ZHU Yao-min1, 2, WANG Wen-yan1, 2, XIE Jing-pei1, 2, XU Jian1, YUAN Ya-sha1, XU Kai-hui1

(1. School of Material Science and Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China;2. Collaborative Innovation Center of Nonferrous Metals, Luoyang 471003, China)

Ti-6Al-4V(TC4) alloy with different Cr contents was prepared by the method of cold isostatic pressing+vacuum sintering+hot isostatic pressing (CHIP).The effect of Cr content on the microstructures and mechanical properties of Ti-6Al-4V alloys was studied using optical microscope, mechanical properties test, SEM and TEM analyese. The results show that with increasing of Cr content, the tensile strength and compressive strength of TC4 alloy gradually increase, but elongation decreases gradually. When Cr element content is 2%, the tensile strength of TC4 alloy is 982 MPa, the compressive strength is 1 632 MPa and the elongation is 14%. The alloy has better comprehensive mechanical properties.

titanium alloys; powder metallurgy; microstructure; mechanical properties

TF125.22

A

1673-0224(2015)3-383-07

河南省重大科技专项(102105000007)

2014-03-21；

2014-05-04

祝要民，教授，博士。电话：15643892228；E-mail: z.ym59@163.com