放电等离子烧结Ti－6Al－4V的组织与性能研究

张金赞

(1．河北建材职业技术学院材料系，河北秦皇岛066004; 2．燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北秦皇岛066004)

放电等离子烧结Ti－6Al－4V的组织与性能研究

张金赞1，2

(1．河北建材职业技术学院材料系，河北秦皇岛066004; 2．燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北秦皇岛066004)

本研究中，利用放电等离子烧结(SPS)技术对Ti－6Al－4V(TC4)粉末进行快速烧结，并对烧结体进行显微组织分析、密度与硬度的测试。研究结果表明:TC4粉末经SPS烧结，获得了组织细小、均匀的烧结体;随烧结温度升高，烧结体的显微组织由等轴状组织变为魏氏组织;经SPS烧结获得的TC4块体较铸造制备的块体，硬度提升了40%以上，其中1 000℃烧结时硬度达到最大值HV100g511。SPS技术实现了高致密度TC4合金的快速烧结，烧结产物晶粒细小，组织均匀，且力学性能大幅度提高。本方法为快速制备高性能的钛合金提供了一条可行的工艺路径。

Ti－6Al－4V;放电等离子烧结;显微组织;硬度

0 前言

Ti－6Al－4V(TC4)是一种典型的α+β型钛合金，由于具有比重轻、比强度高、耐蚀性好、高弹性模量、抗氧化强、综合力学性能良好等特性，其广泛应用在航空航天和汽车制造领域［1］。但是传统熔铸法较高的提炼和加工成本，严重的制约了其使用。而具有组织细小均匀、成分可控、近净成形等众多优点的粉末冶金技术，能够有效降低成本，提高成材率，是制造低成本钛合金的理想工艺之一［2］。

放电等离子烧结(SPS)是一种新颖的粉末冶金方式，具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控、冷却迅速、加热均匀等特点，能有效抑制烧结体晶粒长大，获得组织细小均匀的块体［3－7］。近年来，研究者在利用SPS技术处理TC4方面进行了大量的研究。Saeid GHESMATITABRIZI等［8］利用TC4与B4C的混合粉末，通过SPS技术制备了原位TiB晶须增强的TC4合金，产物致密度较高具有优异性能。

M.Kon等［9］利用经钙离子水热处理后的TC4粉末进行SPS烧结，获得了颗粒细小的TC4块体，有效提高了其生物活性。本研究利用SPS技术在TC4的β相相变温度(995℃)［10］附近(900～1 100℃)对原始TC4粉末进行烧结，并对烧结块体进行物相、微观组织、密度和硬度研究。

1 试样制备及试验方法

1.1 试样制备

以TC4粉末(西北有色金属研究院提供，粒度为325目)为原料，利用SPS－3.20MK－Ⅳ型(日本住友石炭矿业株式会社)放电等离子烧结装置对TC4粉末进行烧结制备块体:取适量TC4粉末放入内径为20.4 mm的高强度石墨模具中，粉末外包0.2 mm的石墨纸防止试样与模具的粘结，经预压后，放入SPS装置中。采用真空加压烧结模式(V≤3 Pa;P=50 MPa)，升温速率为100℃/min，烧结温度分别为900℃、1 000℃、1 100℃，保温时间为5 min，烧结完毕即撤除压力，并在真空条件下随炉冷却，降温速率大约为120℃/min。

1.2 试验方法

TC4块体经打磨抛光后，采用D/Max-2500PC型(日本Rigaku公司)X射线衍射仪，进行扫描获得X射线衍射(XRD)图谱，其中靶材为Cu靶，管流管压分别为200 mA、40 kV，扫描速度为4°/min;利用硝酸与氢氟酸的混合溶液进行腐蚀后，采用金相显微镜进行显微组织分析，并利用网格法结合体视学公式及截线法计算α相的等效直径或层片厚度［11］;利用阿基米德法测量密度;利用FM700型硬度测试系统(日本Future-Tech公司)对抛光处理后的块体进行硬度测试，其中载荷为1 N、保持时间为10 s，每个试样取十处点测试，并取其平均值作为样品的最终硬度值。

2 实验结果与讨论

2.1 显微结构分析

图1为原始TC4粉末在不同温度下烧结体的XRD图谱。分析可知，原始TC4粉体与烧结产物主要由α－Ti(α相)与β－Ti(β相)两相组成;在SPS的高温真空烧结过程中，有少量Ti3Al［12－15］生成;在1 100℃烧结的TC4块体中，由于高温时发生β相变，原来α相中固溶的Al扩散出来，而SPS烧结时，其降温速率较快，Al来不及再次固溶于α相中，最终导致单质Al存在。

图1 不同温度下烧结样品的XRD图谱Fig.1XRD patterns of TC4 sintered at different temperatures

在TC4的α+β等轴组织中，α相含量(体积分数)较高，β相镶嵌在α相基体中。相关研究表明，TC4合金在相变点(995℃)以下短时间加热，显微组织变化不大［16］。如图2a所示，在900℃烧结的TC4块体中，白色的等轴状α相与β相界不明显，主要为较粗大的等轴状α相，β相镶嵌在α相基体中。TC4合金在相变点以上加热，无论加热时间长短，显微组织都发生变化。当烧结温度为1 000℃时，产生相的重结晶，再结晶生成等轴状组织。如图2b所示，1 000℃烧结TC4块体中，α相为细小的等轴状，β相含量增多，相界清晰。当烧结温度为1 100℃时，β相晶粒快速长大，出现新的晶界，α相转变为β相，在降温过程中，α相在β晶界上成核，然后以层片状长大进入β晶粒内。图2c与2d分别为1 100℃烧结TC4块体在低、高倍镜下的金相照片，α相呈条状有规则排列，β相薄片分布在粗大浅色的α相层片周围，属于魏氏组织。另外，从金相照片上可以看出，样品中组织分布均匀，没有孔洞存在。

用熔铸法生产的TC4铸件，在结晶过程中，晶体生长速度大于晶核形成速度，其倾向于形成粗大的颗粒组织。SPS的烧结过程是大直流脉冲电流在短时间内将样品烧结的过程。烧结所加的脉冲电流除少部分通过石墨模具，由外而内对样品进行加热外，大部分直接通过样品，不仅能够在样品内部产生大量的焦耳热，而且等离子放电还能够使粉末得到净化与活化。断续的高频脉冲电流不仅击穿了TC4粉末表面的氧化膜，使粉末表面吸附的气体逸出，而且使粉末颗粒间隙放电、产生局部高温、以及粉末内产生的大量焦耳热，这些都促进了粉末颗粒表面的原子扩散，从而大大降低了烧结温度、缩短了烧结时间。由于SPS烧结过程中粉末颗粒表面能高、扩散系数增大、而且烧结是在极短时间内完成的，所以能有效抑制晶粒的长大，实现晶粒的细化。另外，在脉冲电流的作用下，粉末内放电、发热部位较多，并且快速移动，从而实现了烧结的均匀化。

图2 不同温度下烧结样品的微观组织Fig.2Microstructures of TC4 sintered at different temperatures

对烧结块体的金相照片，利用网格法与体视学公式计算900℃、1 000℃烧结样品中等轴状α相的等效直径。900℃烧结的样品中，等轴状α相的晶粒尺寸为5μm左右。1 000℃烧结的样品中，由于SPS烧结的降温速度较快，退火时间短，再结晶生成的等轴状组织没有粗化，等轴状α相的晶粒尺寸为2 μm左右。利用截线法测得1 100℃烧结样品中层片状α相的厚度在3.5 μm左右。而且在不同温度下烧结的TC4样品，晶粒尺寸都比较均匀。利用SPS技术烧结的TC4块体，组织的细小化、均匀化为其优异的力学性能提供了基础。

2.2 性能分析

TC4烧结体的密度与烧结温度的变化关系如表1所示，分析可知:在该温度区间烧结，由于烧结体中含有少量相对密度较高的Ti3Al(4.7g· cm－3)，其密度均略高于TC4的理论密度。而且随着烧结温度的升高，由于所生成Ti3Al的量有所增加，导致烧结体的密度具有小幅度的提高。

表1 烧结样品密度、硬度随烧结温度的变化Tab.1Hardness and density of TC4 sintered at different temperatures

表1中烧结体维氏硬度与烧结温度的变化关系表明:900℃烧结TC4块体的维氏硬度HV1 00g493与1 000℃下的HV100g495相当，1 000℃烧结TC4块体的维氏硬度为HV100g511，较900℃烧结时的硬度提高3.65%。这是由于烧结温度由900℃升到1000℃时，等轴状组织细化，α相平均晶粒尺寸由5 μm降低到2 μm，晶粒的细化提高了TC4块体的强韧性，使得硬度增加;烧结温度由1 000℃升高到1 100℃时，其显微结构由等轴状组织变为了低塑性的魏氏组织，相应的α相的尺寸由2 μm增大到3.5 μm，其硬度略有降低。

以TC4粉末为原料，利用升温迅速、烧结时间短、冷却迅速、加热均匀的SPS烧结技术，制得了组织细小均匀的TC4块体。不同温度烧结，其α相晶粒尺寸均在10 μm以下，较常规的熔铸方法制备的TC4铸件，α相晶粒尺寸降低了1个数量级。根据Hall-petch关系，晶粒尺寸的减小能够有效提高材料的硬度和强度，SPS技术大大提高了TC4块体的硬度，其较标准维氏硬度349(AMS4928)提高40%以上。

3 结论

(1)利用SPS技术制备TC4的块体，晶粒较细，组织均匀，硬度大大提高，超过AMS4928标准40%以上，在1 000℃烧结时，硬度值最高，达到HV100g511。

(2)利用SPS技术制备TC4块体，在1 000℃烧结时，通过再结晶实现了等轴状组织的细化;在1 100℃烧结时，块体内为魏氏组织。通过控制烧结温度，可以有效的控制烧结块体内的组织。

(3)利用SPS技术制备的TC4块体，随着烧结温度的升高，密度有所提高，烧结温度由900℃提升到1 100℃，烧结体的密度提高了0.5%。

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Microstructure and mechanical properties of Ti－6Al－4V prepared by spark plasma sintering

ZHANG Jin-Zan1，2
(1．Hebei Vocational and Technical College of Building Materials，Qinhuangdao 066004，China; 2．State Key Laboratory of Metastable Materials Science＆Technology，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China)

Dense Ti－6Al－4V(TC4)was prepared by Spark Plasma Sintering(SPS)of TC4 powders．microstructure，density and hardness of sintered samples were measured．The results show that the TC4 powder was sintered by SPS to obtain a fine and uniform microstructure．With the increase of sintering temperatures，a microstructural change from equiaxed to widmanststten structures was observed to occur．The vickers hardness changes slightly with the increase of temperatures，with a typical value of 511(HV100g)，which is～140%of the value observed in the forged samples．This was attributed to the fine and uniformly distributed microstructrures formed by the SPS technique．

Ti－6Al－4V;spark plasma sintering;microstructure;hardness

TG146.2+3

A

1001－196X(2017)01－0035－04

2016－09－08;

2016－11－23

亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室开放课题(201704)

张金赞(1981－)，女，河北建材职业技术学院材料系高级工程师，主要研究方向为高强度合金材料。