塑性变形对氢化钛粉烧结纯钛材微观结构及性能的影响

刘 捷，张文莉，李悦熙薇

(昆明冶金高等专科学校冶金与矿业学院，云南 昆明 650033)

0 引 言

钛及钛合金因具有比强度高，生物相容性好等一系列优点，被广泛作为结构材料和特种材料使用。受价格较高的影响，钛材尚未在民用领域得到很大应用。降低成本是扩展钛材应用的重要手段[1]。以TiH2粉为原料，通过成形、烧结工艺可以制备钛及钛合金材料。该工艺结合了粉末冶金工艺和钛热氢处理原理，在烧结的过程中将氢脱除，无需通过氢化-脱氢工艺来获得钛粉后再使之成形，降低钛合金粉末成形时的烧结温度、减少烧结时间，不使用热等静压工艺也可获得较高的致密度，从而降低了钛及钛合金的制造成本[2-3]。近年来国内外研究者利用该工艺制备了纯钛、TC4、Ti-13Nb-13Zr、高温钛合金材料[4-9]等，并且探讨了各合金元素与TiH2粉间在烧结过程中的交互作用，探讨了烧结工艺参数对钛合金性能的影响，从合金化及优化工艺参数的角度提高了粉末冶金法制备钛及钛合金工艺水平。尽管氢化钛烧结钛及钛合金工艺可以获得很高的致密度，但由于烧结体内部仍然含有一定量的微孔，同时由于在高温真空烧结条件下，部分晶粒将会长大，从而降低了材料的力学性能。特别是大尺寸锭坯经过烧结后，温度降低缓慢，锭坯内外温差较大，导致内外组织不均匀，降低了材料的力学性能。目前研究者多关注氢化钛粉烧结过程中钛及钛合金密度与微观组织的变化，很少探讨烧结体力学性能与工艺参数间的关系，特别是针对塑性指标的研究较少。

李红梅等[10-13]采用挤压+旋锻的方式制备纯钛及Ti-6Al-4V合金，改善了材料的力学性能，但挤压对设备要求高，工艺复杂，成材率低，非烧结后处理是最佳方法。本实验以φ20 mm×200 mm 的纯钛烧结棒为原料，经旋锻制备了φ5 mm 的纯钛棒材，避免了大锭坯烧结产生的缺陷及热挤压的低成材率。通过塑性变形来改变材料组织状态，将烧结组织转变为加工态组织，使组织更加均匀，大塑性变形可以消除微孔、微裂纹等烧结缺陷，最终提高了材料塑性，为制备高品质大规格粉末冶金钛合金材料提供了有益借鉴。

1 原料及实验方法

1.1 原 料

本实验使用外购的平均粒径<40 μm 的 TiH2粉，其微观形貌如图1所示。经过冷等静压及烧结后获得φ20 mm×200 mm 的纯钛烧结棒，其化学成分如表1所示，其显微组织如图2所示。

图1 TiH2粉微观形貌Fig.1 The microstructure of TiH2 powder

表1 纯钛烧结棒化学成分检测结果Tab.1 Thechemical composition test results of pure titanium sintered bar

图2 TiH2粉烧结纯钛棒显微组织Fig.2 The microstructure of pure titanium bar sintered with TiH2 powder

1.2 实验方法

1)旋锻。采用X50管棒旋锻机进行旋锻，旋锻工艺如表2所示。

表2 旋锻工艺参数Tab.2 The process parameters of rotary swaging

2)酸洗及退火。在旋锻过程中，存在油污、尘垢等污染层，在热处理前，需清除材料表面的污染物，根据污染物的不同清洗工艺分为除油及酸洗(表3)，酸洗的目的在于去除旋锻带来的微氧化层。

表3 中间退火前清洗棒材清洗剂化学成分及工艺一览表Tab.3 The chemical composition and process of cleaning agent for bar before intermediate annealing

3)分析检测。本实验检测了φ5 mm纯钛旋锻棒的化学成分，利用排水法测定了样品塑性变形前后的密度。采用万能试验机测定了烧结棒及每一道次旋锻后(加工态及退火态)棒材的力学性能，通过扫描电镜观察其断口形貌。

2 结果及讨论

2.1 旋锻棒化学成分

旋锻退火后棒材的化学成分如表4所示，与烧结棒的化学成分相比，氧含量有轻微上升。旋锻虽然是冷加工，但在锻造时棒材的变形热量较大，且钛非热的良性导体，故棒材表面有一定程度氧化，虽然经过酸洗，但仍然无法彻底去除氧化层，可以采用车削加工的方法剥除氧化层，以控制氧含量。

表4 φ 5 mm 纯钛旋锻棒化学成分Tab.4 The chemical composition of φ 5 mm pure titanium rotary swaging bar

2.2 旋锻棒相对密度分析

烧结棒经旋锻后的相对密度如表5、图3所示，随着塑性变形量的不断增加，棒材的相对密度在增加，当变形量增加到一定阶段后，变化趋缓。从图2可见，TiH2粉烧结纯钛显微组织为细小的等轴状α钛晶粒，但晶粒间存在大量孔隙，且有部分孔隙未完全闭合，孔隙的存在会阻碍晶粒的长大，但同时也会带来材料相对密度的减小，影响材料的力学性能，特别是会降低塑性指标。

表5 纯钛烧结棒及旋锻棒的相对密度Tab.5 Relative density of sintered and swaged pure titanium bars

图3 旋锻棒相对密度与变形程度的关系Fig.3 The relationship between relative density and deformation degree of swaging bar

旋转锻压的应力状态为三向压应力，强烈的三向压应力状态下，变形金属产生较大体压缩量，随着体积压缩量上的增加，未闭合的孔隙发生变形，最终闭合，烧结坯变得更为致密。但旋锻时材料的表面首先发生变形并致密化，变形自棒材圆周表面至心部逐步下降，因此每一个道次需要进行往复加工3次，以确保变形在棒材横截面上的均匀性。同时需要及时退火，否则棒材表面容易发生加工硬化而开裂。随着总变形程度的增加，变形更加均匀深入，因此相对密度不断增加，但当塑性变形增加到一定程度后，旋锻棒的相对密度增加幅度减小。

2.3 旋锻棒力学性能分析

旋锻退火后棒材的力学性能如表6、图4所示。经过塑性变形且退火后材料的抗拉强度较烧结态有所下降，而伸长率及断面收缩率都得以提高。随变形程度的增加，塑性指标增加幅度也变大，φ5 mm 棒材退火态的抗拉强度为 431.26 MPa，伸长率为26%，断面收缩率为38.53%，塑性指标提高70%以上，但抗拉强度及断面收缩率低于外购的铸态锻棒力学性能指标。

表6 纯钛烧结棒与旋锻棒材的力学性能Tab.6 The mechanical properties of sintered and swaged pure titanium bars

图4 烧结棒与旋锻棒材的力学性能Fig.4 The mechanical properties of sintered bar and swaged bar

旋转锻压提供了强烈的三向压应力，烧结坯中存在的微孔孔隙及微裂纹不容易聚集扩展成为宏观裂纹。同时，由于旋转锻造的变形状态为两向压缩一向延伸，烧结坯中的缺陷如空洞，有可能沿着延伸方向扩大，形成线缺陷，其危害较小。这也是TiH2粉末烧结棒经过塑性变形及退火后塑性指标提高的重要原因。棒材锻造后经过再结晶退火，退火温度及保温时间一定，棒材直径越小，再结晶程度越彻底，所以抗拉强度随着材料再结晶而有所下降，而塑性指标不断提高。同时受烧结工艺及变形工艺参数的影响，材料发生局部氧化，将会降低材料的塑性，故烧结锻造棒材力学性能指标仍略低于外购熔炼锻造棒材，仍需不断优化旋锻及退火工艺参数以提高材料性能。

2.4 旋锻棒拉伸试验断口形貌

图5为烧结棒及退火后旋锻棒室温拉伸断口形貌。从图5可知，烧结棒及旋锻棒属于典型的韧窝断裂，宏观形貌均呈现出纤维状，而从放大照片看呈蜂窝状，断裂面由大量窝坑组成，窝坑的深浅表明了材料塑性的高低。

图5 烧结棒及旋锻棒断口形貌Fig.5 The fracture morphology of sintered bar and swaged bar

图5(a)的断口较为平整，断裂前没有出现明显的“颈缩”，说明其塑性变形量较小的时候就发生了断裂，而图5(b)表明，虽然基体晶粒间已经形成了冶金结合，但仍存在大量烧结后残留的孔隙，降低材料密度及力学性能。

图5(c)则清晰地显示了材料在断裂前发生了明显的“颈缩”，属于韧性断口；断口中心的孔隙也明显减少，断口韧窝是在拉伸正应力下形成，显微孔洞在3个方向均匀长大，形成等轴韧窝。

3 结 论

1)φ20 mm×200 mm 的纯钛烧结棒经4道次旋锻及3次中间退火制备了φ5 mm 的纯钛棒材，塑性变形使材料的相对密度提高。

2)塑性变形会使材料发热并使表面出现轻微氧化，经酸洗也不能完全去除，会降低材料塑性指标。

3)退火态旋锻棒的抗拉强度为 431.26 MPa，伸长率为26%，断面收缩率为38.53%，塑性指标比烧结态提高70%以上。

4)烧结棒及旋锻棒断口形貌显示，烧结工艺可以直接获得有一定塑性的纯钛，经过塑性变形后，断口出现明显“颈缩”。断口中心层孔隙数目减少，组织均匀致密，属于典型韧窝断裂组织。

5)冷旋锻+真空退火工艺有助于改善TiH2粉烧结坯塑性指标，提升材料力学性能。但其工艺流程较长，会降低成材率，应继续优化加工工艺。提高烧结体力学性能还需多从烧结工艺入手提升烧结品质。