内燃机零部件采用粉末烧结Ti-21.5Nb合金组织与力学性能分析

范维扬

摘要： 本文主要以等离子烧结工艺制备Ti-215Nb合金为例，介绍了粉末烧结工艺的应用情况以及内燃机用粉末烧结Ti-215Nb合金组织的意义、材料、方法、结构、实验结果的分析，以期在Ti-215Nb合金的制备过程中，不仅可以降低合金的生产成本，还能避免污染物的大规模产生，希望能够给读者带来启发。

Abstract： This paper mainly takes the plasma sintering process preparation of Ti-21.5Nb alloy as an example， introduces the application and the significance， materials， methods， structure and experimental results of the Ti-21.5Nb alloy with internal combustion engine by powder sintering， in order to reduce the production cost of Ti-21.5Nb alloy， but also to avoid the large-scale production of pollutants， and hope to inspire readers.

关键词： 内燃机;Ti-21.5Nb合金;力学性能

Key words： internal combustion engine;Ti-21.5Nb alloy;mechanical properties

中图分类号：TG146.1                                      文献标识码：A                                  文章編号：1674-957X（2022）01-0038-03

0  引言

Ti-215Nb合金作为我国自主研发的一种新型β钛合金，因具有力学性能调节范围大的特点，被广泛应用于各种高性能内燃机的制造工作当中，但在过去的制备中，Ti-215Nb合金的主要制备方式为铸锭冶金法，这种是技术方法污染严重、成本高，现阶段，为切实解决上述问题，粉末冶金法制备Ti-215Nb合金受到了人们的广泛欢迎。

1  粉末烧结工艺的应用情况

在当前的工业生产及实际应用过程中，钛及其合金因具有高强度、低密度、抗腐蚀等优点，成为了一种使用范围较为广泛的轻质结构材料，并且被广泛应用于生物医用材料、内燃机生产制造等领域当中，但在钛及其合金产品的生产制造过程中，传统的铸锭冶金法无法切实满足当前产品生产、环境保护等方面的需要，这种情况的出现使得粉末烧结工艺得到了有效的发展。

1.1 粉末烧结工艺的应用优势

在当前的粉末冶金工艺应用过程中，由于这一技术有着成本低、效率高、污染低等优点，被广泛应用于家电、汽车等领域的各种高精度零部件的生产过程中，并且随着当前科学技术的不断进步，粉末冶金工艺得到了有效的发展，应用这一技术能够生产出更为复杂精密的零部件，这种情况的出现使得粉末冶金工艺逐渐被应用于医疗卫生、军工航天等领域当中。需要注意的是，尽管粉末冶金是一种近净成形的零部件生产加工工艺，在实际应用过程中，对于精度要求较低的零部件，并不需要对零部件进行后续的机械加工，但对精度要求较高的零部件还需要在零部件交工前对其进行进一步的机械加工，以便保证零部件的精度能够切实满足零部件质量要求，同时，在零部件加工过程中，受脱模路径的限制，对于一些无法直接形成的结构，同样需要在后续加工过程中对其进行加工处理[1]。

1.2 粉末冶金工艺的应用不足

在粉末烧结工艺实际应用过程中，由于经过粉末烧结工艺处理得到的零部件结构内部存在孔隙结构，在后续加工过程中，刀具在孔隙间进出，会使刀具因受到高频荷载冲击而出现疲劳损耗，同时，零部件的多孔结构会大大降低自身的导热性能，使得零部件在切削加工过程中，切削部位产生的热量无法及时传递到周边环境中，进而使得刀具的磨损进一步加剧。举例来说，若当前经粉末烧结工艺得到的零部件宏观硬度为25HRC，那么零部件材料内部硬质颗粒的硬度将会达到60HRC，若使用刀具对零部件进行切削加工，那么刀具会因与硬质颗粒发生碰撞摩擦而出现严重的颗粒磨损。同时，在应用粉末烧结工艺加工一些高密度合金时，得到的零部件往往有着硬度高、脆性大等特点，这种情况的出现进一步提升了后期切削加工的难度。

1.3 粉末烧结零部件性质的改善

在当前的粉末烧结工艺应用的过程中，为切实降低零部件切削加工的难度，较为常用的零部件可加工性改善方式包括表面浸渗、易切削剂添加等，以便达到降低到具有磨损的效果。此外，生胚加工作为一种在合金粉末烧结前，对材料进行机械加工的工艺，可以从根本上降低零部件对刀具的磨损。具体来说，首先，应用表面浸渗的方式，对零部件进行处理的时，可以用铜这类的金属或聚合物对粉末冶金材料的表面进行浸渗，使零部件的表面孔隙在加工前被封闭，降低切削过程中波动的产生与影响，从而达到延长刀具使用寿命，提升零部件表面加工质量的目的。其次，在切削过程中，为切实降低切削工作的难度，还可以通过在零件生产时，在材料中添加MgSiO3、MnS等易切削剂的方式，降低材料的强度。最后，粉末冶金生胚加工是一种在粉末烧结前，高硬度马氏体并不存在的情况下，对压制成型的零件进行加工，降低切削加工产生的磨损，并提升零部件的加工效率。需要注意的是，在应用生胚加工过程中，为避免生胚在装夹时发生破损的现象，需要在加工前保证生胚的强度在20MPa以上，同时，在进行生胚机械加工时，为避免零件边沿发生崩塌现象，可以使用温压工艺对其进行处理，从而达到提升生胚的强度的目的。温压工艺的工艺特点是，在零部件成形时，将粉末与模具加热至90-150℃之间，在该温度范围内使降低粉末的屈服强度、加工硬化速率，减小零部件的塑性变形阻力与致密化阻力，从而为粉末后续压制过程中颗粒的塑性变形工作提供便利。同时，经实验证明，经过温压处理的生胚密度要比常压下的生胚密度高出0.15-0.3g/cm3，并且其强度可以达到常压下的4倍以上，这种情况的出现使得生胚的强度能够满足后续切削工作的需要。

2  内燃机用粉末烧结Ti-215Nb合金组织的意义

Ti-215Nb合金因具有α、β、ω等多种形式的组织相，在实际使用过程中，可以在很大范围内对Ti-215Nb合金组织力学性能进行调节，以便满足后续合金零部件生产制造的需要，并使零部件表现出极佳的超弹性、可调性特征。但需要注意的是，在过去一段时间的生产制造过程中，内燃机中使用的Ti-215Nb合金主要是通过传统的铸锭冶金法制备得到的，在合金制备过程中，有着材料消耗量大、污染较为严重等缺点。近年来，随着现代化、低碳化社会发展进程的不断推进，为切实解决上述问题，应用粉末冶金法这种不需要对Ti-215Nb合金进行切削加工的零部件加工方法，不仅可以有效降低合金加工过程中消耗的原材料总量，降低机加工余量，还能有效提升零部件的生产效率，降低零部件的最终生产成本。

现阶段，粉末冶金法已经成为制备内燃机用钛合金及其他零部件应用钛合金的有效手段之一，在应用预合金粉末冶金法制备内燃机用钛合金的过程中，钛合金制备的原材料为钛或钛合金粉末，然后对不同组元成分进行分散混合处理，以便令合金粉末在原子层面呈现分散状态，从而获得多组元的混合均匀物，保证最终制备得到的Ti-215Nb合金颗粒均匀合金化，并且通过制备得到高合金化的烧结体，降低合金的成分偏析，从而保证合金有着组织结构均匀、力学性能优异、晶粒尺寸降低、热加工性能提升等特点。同时，放电等离子烧结作为一种利用放电等离子完成烧结操作的工艺，在合金制备过程中，这一工艺有着可以实现对温度的快速控制、烧结时间较短、制备试样相对密度较高等优点，而且因这一工艺在应用过程中并不需要使用坩埚、陶瓷喷嘴等工具，所以造成合金制备二次污染问题的可能性比较小。但需要注意的是，在合金制备过程中，由于金属粉末可能会受到脉冲电流的影响，使得粉末间隙产生放电等离子体，进而出现击穿金属粉末氧化层与杂质的现象[2]。

3  内燃机用粉末烧结Ti-215Nb合金的材料与方法

为验证Ti-215Nb合金的力学性能并表征合金固溶时效组织的结构特征和力学性质，本文主要应用放电等离子烧结工艺制备了β型的Ti-215Nb合金，并对合金进行了實验检测。

3.1 合金试样制备

在制备Ti-215Nb合金的过程中，首先，利用电极棒快速旋转制备合金粉末，具体操作为，合金端面在离子弧的作用下呈现熔融态，然后令熔融的合金液滴在离心力的作用下进入外部冷却介质中，凝固为小粒径的合金颗粒;其次，筛选粒径在150μm以下的合金颗粒，做为制备Ti-215Nb合金的原材料;再次，对合金颗粒进行元素质量分数含量测试，并且得到合金粉末组成为Ti-215Nb-310Zr-296Mo-212Sn-0095O;最后，进行Ti-215Nb合金粉末的烧结。需要注意的是，当前合金的具体烧结过程在FCT—HPD25/4放电等离子烧结炉内完成，具体的烧结步骤为，第一步，将装有预合金粉末的模具放置到烧结炉当中;第二步，设定上下模的压力，控制烧结炉内的真空度小于1×10-3Pa，令烧结炉内的温度以100℃×min-1的速率进行升温;第三步，令合金粉末在1000℃的温度下进行放电等离子烧结，并且当烧结炉内的温度达到1000℃后，使其继续保持10min[3]。

3.2 合金试样热处理

在合金试样制备过程中，对于尺寸为Φ52mm×9mm的未经热处理的烧结合金试样（WT）来说，可以采用三种不同的工艺对其进行热处理。第一种处理方式为，令合金试样在800℃的温度下固溶10min，然后对其进行水冷处理，从而得到固溶试样（ST）;第二种处理方式为，在380℃的环境下，对固溶试样进行4h的时效处理，然后对其进行空冷处理，从而得到固溶时效处理试样1（SAT1）;第三种处理方法为，在500℃的环境下，对固溶试样进行6h的失效处理，然后进行空冷处理，最后得到固溶时效处理试样2（SAT2）。

3.3 预合金粉末与烧结试样观察

在观察预合金粉末与烧结试样微观形貌时，可以应用JSM—6700扫描电子显微镜;在观察预合金粉末和烧结试样金相组织时，可以应用OLYMPUS径向显微镜;在分析试样物相组成时，可以借助SmartLab型X射线衍射仪（XRD）;在测试试样力学性能时，可以使用AG—Xplus/100kN万能拉伸测试仪，并且将其拉伸速率控制在05mm/min。

4  内燃机用粉末烧结Ti-215Nb合金的结构分析

4.1 Ti-215Nb预合金粉末微观形貌

Ti-215Nb预合金粉末的微观形貌如图1所示，从图中可以看出，通过等离子旋转电极法制备得到的预合金球形粉末相对密度较高，没有出现孔洞以及球形粒子相互焊合的情况。同时，从图1（a）中可以看出，部分球形颗粒表面出现了树枝晶结构与少量的单晶组织，其中树枝晶枝晶结构并不发达，部分球形颗粒表面出现了明显的胞装变化;从图1（b）中可以看出，采用放电等离子烧结法得到的粉末相较于气雾化法得到的粉末，其相对密度更高，并且粉末的球形度与流动性也得到了优化。

4.2 不同热处理条件下Ti-215Nb合金物相组织形貌

将经过不同热处理方法后得到的Ti-215Nb合金试样进行X射线衍射，得到如图2所示的衍射图谱。从图中可以看出，使用常规铸锭法与放电等离子烧结法制备的Ti-215Nb合金相组成变化规律相同，烧结试样和固溶试样都是由β相与α相构成，并且烧结试样都以β相为主，α相为辅;经过固溶时效处理的试样中含有初生α相与β相。在500℃环境下，对Ti-215Nb合金固溶试样进行时效处理后，合金基体中α相全部消失，并析出ω相;在380℃的环境下，对Ti-215Nb合金进行时效处理，组织中仅存α相，ω相完全消失。

对进行热处理后的Ti-215Nb合金试样进行电子显微形貌扫描，可以了解到，烧结试样组织主要由β等轴晶与小尺寸α相组成，其中，β等轴晶的粒径在30-80μm之间，晶界结构明显，没有生成孔洞，颗粒直径较小，相对密度较高。在800℃环境下形成为固溶试样组织主要由相构成，同时β相中生成了椭球形的α弥散组织，这些α相主要分布在晶界处，尺寸较大，并且分布状态较为密集，上述现象出现的原因在于晶界部位核能较低，晶粒在晶界部位优先形核，并且相较与晶体内部，合金组织的生长速率在该处的生长速率更高。相似于常规铸锭合金的显微组织形貌，在380℃环境下，对试样进行时效处理过程中，合金组织内部形成了明显的晶界结构，晶粒中出现了许多弥散组织，并且当时效温度上升至500℃时，短针型结构的α相组织析出，析出的α相长度在02-05m之间，组织形态为相互交织分布，并且晶内α相的长度明显小于晶界处α相长度。需要注意的是，由于预合金粉末颗粒中存在许多细小枝晶，这使得粉末在经过烧结、热处理后，α相组织比常规铸态组织尺寸更小，这种情况的出现使得合金的相对密度更高。

4.3 Ti-215Nb合金的力学性能

对不同热处理条件下的Ti-215Nb合金试样进行力学性能测试可以得到如下测试结果，第一，在800℃的环境下，进行试样固溶时效处理得到的Ti-215Nb合金力学性能最好，并且相较于常规的制备方法，放电等离子烧结法制备得到的合金试样在具有高塑性、低弹性模量等优点外，其拉伸强度提升了100MPa左右，对上述情况出现的原因进行分析可以了解到，由于在800℃环境下进行固溶时效处理，使得合金中的α马氏体组织析出，有效强化了合金的性能。第二，在380℃环境下，进行4h失效处理，得到的Ti合金基体内产生了大量细小弥散的ω组织，这种情况的船不仅使得合金的拉伸轻度增大到100MPa，还使其伸长率达到了6%。对上述两点分析进行整理可以了解到，对合金进行固溶时效处理可以有效优化其其组织结构，使得合金的综合力学性能能够得到有效的提升。

5  结语

顾名思义，采用放电等离子烧结技术制备内燃机用Ti-215Nb合金，并对其进行固溶与时效性处理，对合金的结构组织与力学特征进行分析可以发现，第一，利用等离子旋转电极法制备的预合金球形粉末有着相对较高的密度，并且没有形成孔洞，球形颗粒并未发生相互焊合的问题，同时，部分球形颗粒表面区域生成了枝晶结构与少量的单晶组织。第二，放電等离子烧结的Ti-215Nb合金与常规铸锭合金结构变化规律相同，合金试样与固溶试样都是由β相与α相组成的，烧结组织由β等轴晶与部分小尺寸α相组成，并且经过不同的热处理技术，用SPS法制备的Ti-215Nb合金组织相位转变方式为β相—ω相—α相，并且，对常规工艺制备的Ti-215Nb合金于热处理后得到的组织结构进行比较，可以发现，在550℃环境下应用SPS法制备的合金，进行时效处理得到的α相尺寸更小。第三，在830℃环境下，经过固溶处理得到的Ti-215Nb合金试样力学性能更为优异，并且相较于应用常规方法制得的合金板材，固溶处理后的合金板材拉伸强度明显增大了100MPa，从此可以看出，对合金进行合适的固溶、时效处理，可以进一步提升合金的综合力学性能。

参考文献：

[1]李仕存.粉末烧结制备内燃机用Ti-22Nb-2.5Zr-1.5Mo合金组织与力学性能分析[J].粉末冶金工业，2021，31（02）：74-77.

[2]李智，覃富城，肖瑶，王冲，董仕节，罗平.机械合金化对Ti-Zr-B粉末烧结制备TiB_2-ZrB_2复合材料的影响[J].热加工工艺，2019，48（02）：105-108.

[3]杨长征，张正华，曾庆仪.烧结温度对内燃机用TiZrVMo高熔合金组织和力学性能的影响[J].有色金属（冶炼部分），2021（02）：87-92.