粉末粒度对热压Ti-6Al-4V合金微观组织和力学性能的影响

邹黎明，毛新华，刘辛，蔡一湘

(广东省科学院广东省材料与加工研究所，广州510650)

粉末粒度对热压Ti-6Al-4V合金微观组织和力学性能的影响

邹黎明，毛新华，刘辛，蔡一湘

(广东省科学院广东省材料与加工研究所，广州510650)

以4种不同粒径的球形Ti-6Al-4V粉末为原料，采用真空热压法进行成形固结。利用X射线衍射仪(XRD)、金相显微镜、扫描电镜、万能材料试验机分别分析粉末Ti-6Al-4V合金的物相组成、微观组织、断口形貌以及力学性能，研究粉末粒度及其组成对烧结体微观组织和力学性能的影响。研究结果表明：热压烧结Ti-6Al-4V样品致密度均可达到98%以上。不同粒度粉末烧结后的合金均为网篮排列层片状组织。合金塑性主要受原始粉末粒度影响，随原始粉末粒度增大，烧结样品的晶粒尺寸增大，从而导致合金的塑性降低。粉末粗细搭配相比于原始粗粉，有助于提高合金的塑性，从而有效降低粉末钛合金的成本。

钛合金；热压；粒径；力学性能；Ti-6Al-4V

钛由于具有比强度高、耐腐蚀性能好、生物相容性优异等特点被广泛应用于航空航天、生物医用等行业[1−2]。但传统钛及钛合金加工工艺复杂，生产成本高，严重阻碍了钛的进一步市场应用。粉末冶金作为一种近净成形方法，可以降低生产成本，尤其适合于钛这样昂贵的材料，因此，目前钛及钛合金的粉末冶金技术已成为研究热点[3−5]。航空航天、生物医用等高新技术行业对粉末钛合金性能要求高，原材料一般需采用高品质的球形钛合金粉末。钛由于具有加工硬化速率高的特点，采用传统模压方法比较难以致密化。尤其是高品质的球形钛合金粉末更是难以致密化，一般需采用热等静压进行成形固结，成本非常高[6]。真空热压是将粉末充填入模具内，抽真空后，再从单轴方向边加压边加热，使成形和烧结同时完成的一种快速烧结方法，很适合于钛的粉末冶金成形和固结，相比热等静压成本降低。从文献报道来看，目前国内外采用热压方法烧结球形钛合金粉末的研究较少，尤其是不同粒径的钛合金粉末对其性能的影响暂未见到相关报道。粉末粒径对粉末流动性、松装密度、颗粒表面接触面积、粉末压缩性等均有影响。此外，粒径还影响烧结体的性能[7−9]。因此，研究钛合金热压烧结过程中，粉末粒径对烧结性能的影响具有重要的意义。

1 实验

原材料粉末为等离子旋转电极雾化法(plasma rotating electrode process，PREP)制备的Ti-6Al-4V粉末，选用4种不同粒径分布的原始粉末，粉末的粒径分布、氧含量和形貌分别见表1和图1。PREP法制备的钛合金粉末具有较低的氧含量，适合于制备性能要求高的粉末钛合金产品。为了考察粉末粒径搭配对烧结性能的影响，将60%(质量分数，下同)的D粉末和40%的A粉末混合均匀得E试样。在下文中，粉末烧结得到的样品相应称为样品A~E。由图1可见：原始粉末为球形，基本无卫星球，热压设备为锦州航星真空设备有限公司生产，模具采用直径为40 mm的石墨模具，烧结压力为30MPa。根据已有文献[10]，烧结前在石墨模具内壁均匀涂上BN润滑液，以防止烧结过程中的碳污染，烧结温度选择为1 100℃，保温1 h。每次烧结使用50 g粉末，烧结后得到尺寸为d40 mm ×10 mm的样品。

采用排水法测量烧结样品的密度，相对密度为实际密度与理论密度之比。采用氮氧分析仪(TC600，LECO，USA)测量粉末和烧结样品的氧含量；采用全自动X射线衍射仪(D/MAX−RC，Rigaku，Japan)对烧结样品进行物相分析；将烧结样品用10%的HF溶液腐蚀后，采用金相显微镜(DM15000M，Leica，German)观察烧结样品的微观组织；将烧结样品加工成条状拉伸试样，拉伸试样标距段尺寸为24 mm×3 mm× 1 mm，采用万能材料试验机(Teststar 810，MTS，USA)对烧结样品进行拉伸力学性能测试；采用扫描电镜(S3400N，Hitachi，Japan)观察粉末形貌和样品拉伸断口。

表1 五种粉末的粒径分布及氧含量Table 1Particle size distribution and oxygen content of powders

图1 PREP法制备Ti-6Al-4V粉末形貌Fig.1Micrographs of the Ti-6Al-4V alloy powders prepared by PREP method (a)PowderA;(b)Powder B;(c)Powder C;(d)Powder D

2 结果和讨论

图2所示为5种粉末热压烧结后的相对密度。从图5可见，烧结样品的致密度均达98%以上，这表明采用热压方法制备粉末钛合金的致密化效果较好。当粉末最粗时(D)，烧结样品的密度最低；总体而言，细粉(A，B)烧结后的密度比粗粉(C，D)的大，这是因为细粉表面活化能高，在压力和温度作用下，原子更易扩散[11]。但样品B的密度比A的大，说明不是粉末越细，其致密度越高。样品E的相对密度位于样品A和D之间。

图2 5种烧结样品的相对密度Fig.2 Relative density of sintered samples

图3 所示为5种烧结样品的XRD谱，这5种烧结样品大部分为α-Ti相，其中有少量的β-Ti。图4所示为5种烧结样品的金相显微组织，组织中基本见不到微孔，说明热压烧结接近致密化。程文祥等[12]采用热等静压法成形固结气雾化制备的钛合金粉末时，发现有较多微孔存在。相比于气雾化粉末，PREP法制备的钛合金粉末空心粉较少。因此，在钛合金粉末冶金成形固结中，与雾气化法相比，采用PREP法制得的粉末能降低成品孔隙率。由图4可见：这5种样品均为等轴晶，晶粒内都为典型的网篮排列层片状组织，层片应为α-Ti+β-Ti的混合组织[10]。其中层片具有不同的取向。这是因为β-Ti晶胞的6个滑移面和2个滑移方向为α相提供最多12个不同取向。当热压结束，钛合金从β相区温度冷却下来时，单个α相层片束按照不同取向关系形核并长大，单个层片束内的取向相同。大量的可能取向导致层片束的取向多次重复，结果形成这种有特色的显微组织[13]。并且由图4可见，随原始粉末粒度增大，烧结样品的晶粒尺寸相应增加。A粉烧结样品的晶粒尺寸一般在200μm以下，而D粉烧结样品的晶粒尺寸则达到400~600μm。对于E粉烧结样品，由于2种粉末混合，不同尺寸晶粒夹杂。其原因可能如下：1)粗粉和细粉的显微组织不同。粗粉晶粒比细粉的大，这种原始粉末晶粒大小差异会相应遗传在烧结产品的晶粒中。2)粗粉和细粉的比表面积不同。粉末的回复和再结晶过程大多从颗粒边界开始，细粉比表面积大，颗粒边界多，促进了再结晶形核[12,14]。

图3 5种烧结样品的XRD谱Fig.3XRD patterns of sintered samples (a)SampleA;(b)Sample B;(c)Sample C; (d)Sample D;(e)Sample E

图4 5种烧结样品的微观组织Fig.4Microstructures of sintered samples (a)SampleA;(b)Sample B;(c)Sample C;(d) Sample D;(e)Sample E

图5 5种烧结样品室温应力−应变曲线Fig.5Room-temperature engineering stress-strain curves of sintered samples

图5所示为5种烧结样品的拉伸应力−应变曲线，表2所列为其抗拉强度和伸长率。由图表可知，当粉末粒径大于100μm时，样品强度变化不大(B，C，D)；但当粉末粒径减小为50~100μm时，样品(A)的强度和塑性相比其它3种样品(B，C，D)明显增大。除样品D外，其它样品伸长率均在10%以上。对于A，B，C和D这4种样品，随原始粉末粒度增加，伸长率不断减小。样品E原始粉末为A和D的混合，其伸长率位于样品A和D的伸长率之间，这说明粉末粒度越小，热压后样品塑性越好。而在粗粉D中添加一定量的细粉A，可以大幅提高其强度和塑性。对于球形钛合金粉末，由于粗粉D的价格比细粉A的价格便宜10倍以上，因此，采用粗细搭配的粉末可获得与细粉接近的性能，从而大幅降低制品的成本，这在热压制备钛合金粉末的实际应用中有非常重要的意义。可能导致烧结试样拉伸性能差异的因素主要包括烧结样品的微观孔隙、杂质含量和晶粒尺寸。在烧结过程中，5种样品致密度均达到98%。表3所列为5种粉末及其烧结样品的氧含量。由表3可见：粉末的氧含量与粒度并无明显变化规律。但当粉末粒度最小时，具有最高氧含量。细粉末具有较大的比表面积，吸附气体的能力较强，所以，细粉中杂质气体元素含量特别是氧含量相对较高，烧结样品的氧含量相比原始粉末有所增加，但仍然较低，都小于0.1%，不会导致合金力学性能恶化。此外，烧结样品的氧含量差别不大，基本处于同一水平。

表2 5种样品拉伸力学性能Table 2Mechanical properties of the sintered samples

因此，5种烧结样品塑性的差异主要由其晶粒尺寸决定。对5种样品，在相分布、种类都一致的情况下，晶粒越细，在一定体积内的晶粒数目越多，在同样的变形量下，变形分散在更多的晶粒内进行，每个晶粒内的变形较均匀，不致产生应力过分集中的现象。此外，晶粒越细，晶界越曲折，不利于裂纹传播，从而使其在断裂前可承受较大的塑性变形[15]。

图6所示为烧结样品的拉伸断口形貌。其中，图6(a)所示为样品D的断口宏观形貌，断口周围外表面未见明显的塑形变形，呈现脆性断裂特征。断口除韧窝形貌外，还可见准解理断口形貌，如椭圆区域所示。图6(b)所示为椭圆区域的放大形貌，可见撕裂棱。因此，这些准解理断口是样品塑性较差的标志[16]。图6(c)和图6(d)所示分别为样品A和B的断口形貌，为典型的韧窝，这也说明样品具有较好的塑性。

3 结论

1)采用热压法烧结不同粒径的球形Ti-6Al-4V粉末，致密度均可达到98%以上，接近全致密。

2)粉末Ti-6Al-4V合金均为α-Ti相组成的等轴晶结构，晶粒内为典型的网篮排列层片状组织。原始粉末粒径越小，烧结样品晶粒尺寸越小。

3)当原始粉末粒径为50~100μm时，合金具有最大的强度和塑性。粉末Ti-6Al-4V合金塑性的差异主要由其晶粒尺寸决定。原始粉末越细，烧结样品的塑性越好。粗粉中加入一定量细粉，能显著提高其强度和塑性，从而有效降低粉末钛合金的成本。

表3 5种粉末及烧结样品的氧含量Table 3Oxygen content of powders and sintered samples

图6 烧结样品的断口形貌Fig.6SEM fracture micrographs of the sintered samples (a),(b)Sample D;(c)SampleA;(d)Sample B

REFERENCES

[1]刘奇先,刘杨,高凯.钛合金的研究进展与应用[J].航天制造技术,2013(4):45−55. LIU Qixian,LIU Yang,GAO Kai.Research progress and application of titanium alloys[J].Aerospace Manufacturing Technology,2013(4):45−55.

[2]CUI C X,HU B M,ZHAO L C,et al.Titanium alloy production technology,market prospects and industry development[J]. Materials&Design,2011,32(3):1684−1691.

[3]杨冠军,赵永庆,余振涛,等.钛合金研究,加工与应用的新进展[J].材料导报,2001,15(10):19−21. YANG Guanjun,ZHAO Yongqin,YU Zhentao,et al.New advancesintitaniumalloyresearch,processingand applications[J].Materials Review,2001,15(10):19−21.

[4]叶呈武,王亮,张绪虎,等.钛合金HIP近净成形技术在航天上的应用[J].材料导报,2013,26(23):112−114. YE Chengwu,WANG Liang,ZHANG Xuhu,et al.Application of titanium alloy HIP near net shape technique in aerospace[J]. Materials Review,2013,26(23):112−114.

[5]ABKOWITZ S M,ABKOWITZ S,FISHER H.Breakthrough claimed for titanium PM[J].Metal Powder Report,2011,66(6): 16−21.

[6]王亮,史鸿培.高性能钛合金粉末冶金技术研究[J].宇航材料工艺,2003,33(3):42−44. WANG Liang,SHI Hongpei.Powder metallurgy technology for high performance titanium alloy[J].Aerospace Materials& Technology,2003,33(3):42−44.

[7]羊求民,李松林,于永亮,等.水雾化铁粉的粒径对工艺性能的影响[J].粉末冶金工业,2011,21(3):29−35. YANG Qiumin,LI Songlin,YU Yongliang,et al.Effect of particle size on the properties of water-atomized iron powder[J]. Powder Metallurgy Industry,2011,21(3):29−35.

[8]赵世贤,宋晓艳,魏崇斌,等.放电等离子烧结不同粒径匹配的WC-Co混合粉末[J].粉末冶金材料科学与工程,2010, 15(1):32−37. ZHAO Shixian,SONG Xiaoyan,WEI Chongbin,et al.Spark plasma sintering WC-Co mixed powders of various grain size matching[J].Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy,2010,15(1):32−37.

[9]闫志巧,陈峰,蔡一湘.不同粒径Ti粉的高速压制行为和烧结性能[J].金属学报,2012,48(3):379−384. YAN Zhiqiao,CHEN Feng,CAI Yixiang.High velocity compaction behavior and sintered properties of Ti powders with different particle sizes[J].Acta Metallurgica Sinica,2012,48(3): 379−384.

[10]BOLZONI L,RUIZ-NAVAS E M,NEUBAUER E,et al. Inductive hot-pressing of titanium and titanium alloy powders[J]. Materials Chemistry and Physics,2012,131(3):672−679.

[11]GERLING R,LEITGEB R,SCHIMANSKY F P.Porosity and argon concentration in gas atomized γ-TiAl powder and hot isostaticallypressedcompacts[J].MaterialsScienceand Engineering:A,1998,252(2):239−247.

[12]程文祥,徐磊,雷家峰,等.粉末粒度偏析对Ti-5Al-2.5Sn ELI粉末合金拉伸性能的影响[J].中国有色金属学报,2013, 23(2):362−369. CHENG Wenxiang,XU Lei,LEI Jiafeng,et al.Effects of powder size segregation on tensile properties of Ti-5Al-2.5Sn ELI alloy powder[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2013,23(2):362−369.

[13]莱茵斯,皮特尔斯.钛与钛合金[M].陈振华,译.北京:化学工业出版社,2005:6−8. LEYENS,PETERS.Ti and Ti alloy[M]CHEN Zhenhua,Tran. Beijing:Chemical Industry Press,2005:6−8.

[14]黄培云.粉末冶金原理[M].北京:化学工业出版社,2008: 267−269. HUANG Peiyun.Principle of powder metallurgy[M].Beijing: Chemical Industry Press,2008:267−269.

[15]刘天模,刘建忠,卢立伟,等.双向双通道变通径挤压AZ31镁合金的显微组织及变形行为[J].中国有色金属学报,2010, 20(9):1657−1664. LIU Tianmo,LIU Jianzhong,LU Liwei,et al.Microstructure and deformation behavior of dual-directional extruded AZ31 magnesium alloy[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010,20(9):1657−1664.

[16]钟群鹏,赵子华.断口学[M].北京:高等教育出版社,2006: 195−200. ZHONG Qunpeng,ZHAO Zihua.Fractography[M].Beijing: Higher Education Press,2006:195−200.

(编辑：高海燕)

Effect of particle size on microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V alloy prepared by hot press

ZOU Liming,MAO Xinhua,LIU Xin,CAI Yixiang
(Institute for Materials and Processes of Guangdong Province,GuangdongAcademy of Science, Guangzhou 510650,China)

Four kinds of spherical Ti-6Al-4V powders prepared by PREP method were vacuum hot pressed.The phase composition,microstructure,fracture morphology and mechanical properties of sintered samples were investigated by XRD,SEM and mechanical tests respectively.The effects of the particle size on microstructures and mechanical properties of Ti-6Al-4V alloy were studied.The results show that the relative density of sintered samples can reach more than 98%,and their microstructures are all basket-weave lamellar.The plasticity of the alloy is affected by the particle size.With the particle size increasing,the grain size of sintered samples increases,which results in the decrease of the ductility.Compared to the coarse powder,the powder mixed coarse and fine powders can improve the ductility of alloy, and thus to reduce the cost of powder Ti alloy prepared by hot press.

Ti alloy;hot press;particle size;mechanical properties;Ti-6Al-4V

TF124

A

1673−0224(2016)02−217−06

广州市产学研协同创新重大专项国际科技合作项目(2014J4500024)

2015−06−01；

2015−07−09

刘辛，高级工程师，博士。电话：020-61086128，E-mail:shaneliu118@163.com