i-6al-4v合金的制備及性能研究

0鈦合金粉末的本構(gòu)模型粉末鈦合金技術(shù)可以生產(chǎn)高性能、低成本的鈦合金構(gòu)件。材料性能高，形成能力強（產(chǎn)品形狀復(fù)雜）。成本低、致密材料、無內(nèi)部缺陷、均勻、詳細的組織和材料的內(nèi)應(yīng)力小、尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點。高性能的粉末冶金技術(shù)已實現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用[5,6,7,8,9,10,11,12]。Ti-6Al-4V是一種應(yīng)用范圍廣、使用量大的α-β型中強鈦合金,具有良好的綜合性能,航天材料及工藝研究所對其高性能粉末冶金技術(shù)開展了研究。在鈦合金材料中,組織狀態(tài)對性能有很大的影響,而金相組織是由制備工藝和處理方式?jīng)Q定的。由于鈦合金粉末冶金工藝過程與傳統(tǒng)的鑄、鍛工藝過程有本質(zhì)的區(qū)別,粉末鈦合金金相組織的特征與鑄造和鍛造材料相比必然會發(fā)生變化。本文開展了粉末冶金Ti-6Al-4V合金的金相組織及其形成機理的研究工作,并對其室溫拉伸性能、沖擊性能、斷裂韌性及彈性模量進行了測試,并對組織與性能間的關(guān)系進行研究。1金粉樣品的制備采用預(yù)合金粉工藝制備高性能的粉末冶金Ti-6Al-4V合金,制備流程見圖1。采用旋轉(zhuǎn)電極法制備Ti-6Al-4V球形預(yù)合金粉,粒徑為45~250μm,粉末顆?；緸榍蛐?異種形狀的顆粒很少,表面較光滑(圖2)。HIP后粉末冶金Ti-6Al-4V試樣包套及去除包套后的材料見圖3。用光學(xué)金相技術(shù)觀察粉末冶金Ti-6Al-4V的金相組織,在制備的粉末冶金Ti-6Al-4V試塊上取樣加工標(biāo)準(zhǔn)拉伸試棒、U型缺口沖擊試樣和緊湊拉伸試樣,分別測試?yán)煨阅芗皬椥阅Ａ?、沖擊韌性和斷裂韌性。2結(jié)果與討論2.1等軸相分布的影響圖4所示為典型粉末冶金Ti-6Al-4V金相組織。可以看到,組織均勻、細致,主要由條片α相+相間β相組成,α條片交錯分布或形成網(wǎng)籃組織,并有細小的等軸α相分布其間,等軸α相分布的位置主要在由原始粉末顆粒形成的晶粒界面處,包裹著交錯分布或網(wǎng)籃狀的α條片。這種組織形貌類似鍛件中的雙態(tài)組織,但其等軸α相的分布方式不同。鍛造材料的雙態(tài)組織如圖5所示,其等軸α相一般較均勻地分布在基體中,而粉末冶金Ti-6Al-4V中的等軸α相一般較細且集中分布在晶粒界面附近,而晶粒與HIP前的粉末顆粒相對應(yīng)。粉末的原始顆粒邊界已不存在,其位置上分布的是細小的等軸α相。2.2ti-6al-4v熔噴法非織造材料表面氧化機理粉末冶金Ti-6Al-4V與鑄、鍛材料的金相組織有明顯的區(qū)別,其原因在于特殊的粉末冶金預(yù)合金粉制備工藝。在鈦合金粉末冶金預(yù)合金粉工藝中,采用球形預(yù)合金粉(圖2),這種粉具有較高且穩(wěn)定的松裝密度,裝入包套后,直接進行HIP致密化。通過對鈦合金粉末冶金預(yù)合金粉工藝特點及HIP加壓燒結(jié)過程的分析,推演出用預(yù)合金粉工藝制備粉末冶金Ti-6Al-4V的致密化及其組織演變、形成過程,如圖6所示。首先,將Ti-6Al-4V球形預(yù)合金粉裝入包套中,并進行真空封裝,這時在包套內(nèi),粉末顆粒間緊密堆積,相互間一般處于點接觸狀態(tài)。在HIP處理過程中,溫度、壓力逐漸上升,粉末顆粒間相互接觸的界面在溫度、壓力的作用下相互擠壓變形,顆粒間接觸面積逐漸變大,顆粒界面附近的形變越來越大。由于粉末顆粒承受的是靜壓,與材料鍛造所承受的整體沖擊力不同,不會使粉末顆粒產(chǎn)生整體性的應(yīng)變,而是在形變較大顆粒邊界的局部范圍內(nèi)產(chǎn)生晶格畸變,產(chǎn)生較為集中的、較大的應(yīng)變能。在合適的HIP加壓燒結(jié)的條件下,材料可實現(xiàn)全致密,粉末邊界完全貼合,在相互接觸的顆粒界面附近產(chǎn)生很大的應(yīng)變,形成邊界大應(yīng)變帶,在這一大應(yīng)變帶影響范圍內(nèi),積累了較大的應(yīng)變能,在保溫保壓過程中,在材料致密化的同時,驅(qū)動邊界大應(yīng)變帶進行再結(jié)晶,通過這一再結(jié)晶過程,在邊界大應(yīng)變帶位置上形成大量等軸α相。而顆粒內(nèi)部一般應(yīng)變較小,再結(jié)晶的情況少,主要還是以條片α相+相間β相為主,部分α條片在保溫、變形過程中交織分布形成網(wǎng)籃。在預(yù)合金粉工藝過程中,粉末冶金Ti-6Al-4V的致密化按圖6所示過程實現(xiàn),而其最終的金相組織狀態(tài)受粉末顆粒在這一過程中的變化影響,最終演變?yōu)閳D4所示金相組織,形成了等軸α相包裹條片α相的組織特征。在這一過程中伴隨著粉末原始顆粒邊界的變化。鈦合金粉末顆粒表面有一層致密的氧化膜,可以在室溫下保護粉末顆粒不被繼續(xù)氧化,但這一原始界面的存在也會阻礙顆粒間的燒結(jié)、擴散過程。粉末顆粒表面致密的氧化膜在550℃下穩(wěn)定存在,在800℃以上會分解,而要制備全致密材料,一般Ti-6Al-4V進行HIP處理的溫度均會高于800℃。根據(jù)圖6所示,在HIP致密化過程中,首先粉末顆粒擠壓變形,當(dāng)形變達到一定程度時表面氧化膜破裂,因為包套內(nèi)處于真空狀態(tài),破裂的氧化膜不會再生,超過800℃后,鈦合金粉末顆粒表面氧化膜分解,在界面處形成O等富集元素,根據(jù)擴散原理,這些富集元素向顆粒內(nèi)部擴散,以實現(xiàn)成分均勻匹配,在高溫條件下,這一擴散、均勻化過程可在較短的時間內(nèi)完成。這樣,采用合適的HIP保溫溫度、時間,在粉末冶金Ti-6Al-4V合金中,粉末顆粒原始界面可以得到消除。Ti-6Al-4V在粉末冶金預(yù)合金粉工藝中,一方面由粉末顆粒形變在界面處局部產(chǎn)生較大應(yīng)變,通過再結(jié)晶在顆粒界面位置附近生成大量等軸α相,形成等軸α相包裹條片α相的組織特征,同時,粉末顆粒表面氧化膜破裂,在高溫下分解、擴散,粉末顆粒原始界面消除。正是在這兩方面共同作用下,粉末冶金Ti-6Al-4V形成了獨特的組織特征。2.3金相組織和尺寸粉末冶金Ti-6Al-4V在室溫下的力學(xué)性能與鑄、鍛材料的對比見表1。從表1中可以看到,粉末冶金Ti-6Al-4V具有優(yōu)良的綜合性能,全面達到了不低于鍛件的水平。由于制備工藝有本質(zhì)區(qū)別,粉末冶金Ti-6Al-4V的金相組織與鍛件相比有較大差異,但這種差異對性能沒有不利影響,而且其晶粒界面位置上分布的細小的等軸α相有利于提高材料的強度和塑性。由此可見,粉末冶金Ti-6Al-4V的金相組織對應(yīng)著良好的綜合性能。3預(yù)合金粉系統(tǒng)的組織作用(1)粉末冶金Ti-6Al-4V金相組織主要由條片α相+相間β相組成,有細小的等軸α相分布在晶粒界面處,包裹著條片α相。(2)在粉末冶金預(yù)合金粉工藝中,通過粉末顆粒形變在界面處局部產(chǎn)生較大應(yīng)變,通過