Mo、V和Ag對(duì)粉末冶金Ti-5Al合金組織與力學(xué)性能的影響

肖代紅，楊寶剛，申婷婷，袁鐵錘，賀躍輝，王守仁

(中南大學(xué) 粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083)

Mo、V和Ag對(duì)粉末冶金Ti-5Al合金組織與力學(xué)性能的影響

肖代紅，楊寶剛，申婷婷，袁鐵錘，賀躍輝，王守仁

(中南大學(xué) 粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083)

采用元素混合法制備粉末冶金Ti-Al-Mo-V-Ag合金，通過金相觀察、掃描電鏡及力學(xué)性能測(cè)試等方法研究Mo、V和Ag的添加及燒結(jié)溫度對(duì)Ti-5Al合金的燒結(jié)行為、顯微組織與力學(xué)性能影響，并對(duì)其作用機(jī)制進(jìn)行探討。結(jié)果表明：1 350 ℃燒結(jié)時(shí)，V與Mo的添加能改善燒結(jié)合金的壓縮強(qiáng)度，單獨(dú)添加Ag時(shí)，則降低基體合金的綜合性能，但當(dāng)Ag與Mo、V同時(shí)添加到基體合金中時(shí)，改變合金的顯微組織，提高燒結(jié)合金的致密度與抗壓縮強(qiáng)度，致密度能達(dá)到96%，抗壓縮強(qiáng)度達(dá)到1 782 MPa。同時(shí)，燒結(jié)溫度不同時(shí)，相同成分的粉末冶金Ti-5Al合金的顯微組織與性能也表現(xiàn)出不同的特征。

鈦合金；微合金化；燒結(jié)溫度；顯微組織；力學(xué)性能

鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、屈強(qiáng)比高、塑韌性良好、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在軍工和民用等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用[1?2]。擴(kuò)大鈦合金市場(chǎng)的瓶頸是鈦的提取、熔煉、機(jī)加工很難，從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本高[3?4]。粉末冶金技術(shù)由于在零部件近凈形方面具有優(yōu)勢(shì)，能大大提高材料利用率，降低加工成本，并能獲得均勻細(xì)小的顯微組織，因此成為降低鈦合金成本的重要技術(shù)[3?6]。粉末冶金鈦合金的研究主要集中在混合元素法((BE)、預(yù)合金法(PA)和快速凝固法(RS)等3種方法上，其中混合元素法無論是經(jīng)濟(jì)效益、成分選擇及微觀組織設(shè)計(jì)上，都比其它兩種方法優(yōu)越[7?8]。BE法鈦合金產(chǎn)品的主要應(yīng)用是工業(yè)鈦過濾器、葉輪或整體葉盤等形狀復(fù)雜的零件，如俄羅斯的伊爾114飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣離心機(jī)葉輪和發(fā)動(dòng)機(jī)軸支撐件。由于鋁具有密度低、在鈦中的固溶度大(質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過6%)等特點(diǎn)，使得其成為鈦合金中主要合金化元素之一。

目前已研制的低鋁含量(2%～6%)粉末冶金鈦合金因具有較高強(qiáng)度、良好耐熱抗蠕變性能，而受到廣泛的關(guān)注[9?12]。由于合金化元素對(duì)粉末冶金鈦合金具有重要影響[13]，為此，本文作者擬采用元素混合法制備Ti-5Al基合金，通過低壓燒結(jié)，研究Mo、V和Ag等的添加及不同燒結(jié)溫度對(duì)基體合金的組織與性能影響，為實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)提供可行性參考。

1 實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)用鈦合金的名義成分如表1所列，原料為鈦粉、鉬粉、鋁粉、銀粉、鋁?釩中間合金粉，平均晶粒尺寸分別為48、1.5、2.6、0.7及74 μm。按照配比稱量粉末后，在行星式球磨機(jī)中通過氬氣保護(hù)進(jìn)行濕磨24 h后，在真空干燥箱中干燥處理。干燥后的粉末采用鋼模壓制成型，壓力為 300 MPa。壓坯在 5 MPa氬氣環(huán)境中進(jìn)行低壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度分別為 1 150、1 250和1 350 ℃。燒結(jié)后樣品密度采用阿基米德排水法測(cè)量。試樣拋光后采用 Kroll試劑腐蝕并進(jìn)行金相觀察。壓縮測(cè)試的樣品尺寸采用d 6 mm×7 mm，加載速率為1 mm/min。斷口觀察在FEI-Nano230型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡上進(jìn)行。

表1 試驗(yàn)合金的名義成分Table 1 Nominal composition of samples

2 結(jié)果與分析

2.1 合金的顯微組織

圖1 試樣在1 350 ℃燒結(jié)后的金相組織Fig.1 Optical microstructures of samples after sintering at 1 350℃: (a) Alloy 1; (b) Alloy 2; (c) Alloy 3; (d) Alloy 4; (e) Alloy 5;(f) Alloy 6

圖2 試樣在1 250 ℃燒結(jié)后的金相組織Fig.2 Optical microstructures of samples after sintering at 1 250 ℃: (a) Alloy 1; (b) Alloy 2; (c) Alloy 3; (d) Alloy 4; (e) Alloy 5;(f) Alloy 6

3種不同燒結(jié)溫度下的金相顯微組織如圖1、2及3所示。很明顯，在相同燒結(jié)溫度下，不同成分的Ti-5Al基合金的組織明顯不同。經(jīng)1 350 ℃燒結(jié)后(見圖1)，隨著添加合金元素的不同，合金中孔隙數(shù)量及顯微組織明顯不同，合金1為α型合金；而添加Mo的合金2，顯微組織由原始β晶粒及粗大片狀α相組成。含Ag合金3中，孔隙數(shù)量較多且粗大，合金4的主要組織為等軸α相及少量β相，而合金5是典型的α+β雙態(tài)組織，由等軸α相、原始β晶粒、β晶粒內(nèi)的片狀α相及α晶團(tuán)組成。當(dāng)同時(shí)含Mo、V、Ag時(shí)，合金6的組織為魏德曼組織(Widmanstaetten structure)，這種組織由原始β晶粒、片狀α相及α晶團(tuán)組成。經(jīng)1 250 ℃燒結(jié)后(見圖2)，合金1為α型合金，合金3中孔隙數(shù)量較多且粗大，合金2與4的主要組織為等軸α相及少量β相，合金5是典型的α+β雙態(tài)組織，而合金 6的組織為魏德曼組織。當(dāng)降低燒結(jié)溫度至1 150 ℃后(見圖3)，合金1與2為α型合金，合金3中孔隙數(shù)量較多且粗大，合金4的主要組織為等軸α相及少量β相，合金5是典型的α+β雙態(tài)組織，而合金6的組織為魏德曼組織。

另外，對(duì)相同成分的合金，不同燒結(jié)溫度下，其顯微組織也有明顯的不同。對(duì)合金 1，當(dāng)燒結(jié)溫度降低時(shí)，合金盡管均為α型合金，但晶粒尺寸減小。而合金2的燒結(jié)溫度從1 350 ℃降低到1 150 ℃時(shí)，其組織也發(fā)生了明顯的變化，1 350 ℃時(shí)，合金的組織由α相與β相組成，而1 150 ℃時(shí)，合金的組織為α相。合金3在不同燒結(jié)溫度下燒結(jié)后，均含有大量的空隙，只是孔隙數(shù)量不同。而對(duì)合金 6，不同燒結(jié)下的組織均為魏德曼組織，只是片狀α相的厚度不同，1 350 ℃燒結(jié)時(shí)的α相的厚度較1 150 ℃大。

圖3 試樣在1 150 ℃燒結(jié)后的金相組織Fig.3 Optical microstructures of samples after sintering at 1 150 ℃: (a) Alloy 1; (b) Alloy 2; (c) Alloy 3; (d) Alloy 4; (e) Alloy 5; (f)Alloy 6

粉末冶金鈦合金的顯微組織主要受合金成分影響，盡管Mo、V、Ag均為β相穩(wěn)定元素，但所起的作用卻不同。Mo與V元素是同晶型β相穩(wěn)定元素，它們與β相晶格類型相同，可無限固溶于β相中，無化合物相產(chǎn)生，主要起到固溶強(qiáng)化作用。而 Ag元素是一種共析型β相穩(wěn)定元素，與鈦會(huì)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，生成 TiAg 化合物相(見圖 5(f))，較強(qiáng)烈降低(α+β)/β 相點(diǎn)，使得合金中易生成片狀組織[14]。燒結(jié)溫度不同時(shí)，由于各元素?cái)U(kuò)散激活能不同，所產(chǎn)生的組織也不同，而高溫?zé)Y(jié)有助于合金元素的擴(kuò)散，使β相穩(wěn)定元素在基體合金中的固溶更為充分，從而在爐冷過程中，得到有效的析出。

2.2 合金的力學(xué)性能

對(duì) 1 350 ℃燒結(jié)試樣進(jìn)行密度測(cè)試顯示(見圖4(a))，合金1的相對(duì)密度達(dá)到了90%；添加4%Mo合金2的相對(duì)密度達(dá)到了93%；添加5%Ag合金3的密度則降低至79%；而在基體合金中添加4%V時(shí)，合金4的相對(duì)密度相對(duì)合金1的沒有明顯變化；當(dāng)同時(shí)在基體合金中添加4%Mo和4%V時(shí)，合金5的相對(duì)密度達(dá)到94%；而在合金5的基礎(chǔ)上，再添加5%Ag后，合金6的相對(duì)密度提高到96%以上。對(duì)燒結(jié)態(tài)合金進(jìn)行壓縮性能測(cè)試顯示(見圖 4(b))，基體合金的抗壓塑強(qiáng)度達(dá)到了1 485 MPa，而含Mo合金2的抗壓縮強(qiáng)度提高到了1 634 MPa，但只添加Ag或V的合金3和4的抗壓縮強(qiáng)度分別只有385 MPa和901 MPa。而同時(shí)添加Mo和V的合金5的抗壓縮強(qiáng)度達(dá)到1 531 MPa，當(dāng)在合金5的基礎(chǔ)上進(jìn)一步添加5%Ag時(shí)，合金6的抗壓縮強(qiáng)度則達(dá)到1 782 MPa。

1 250 ℃燒結(jié)后的性能如圖4(c)與(d)所示，合金1的致密度為88%，合金2的致密度則為92%，合金3的致密度則降低到78%，合金4的致密度為85%，合金 5的致密度提到 91%，當(dāng)同時(shí)添加 Mo、V和 Ag時(shí)，合金6的致密度進(jìn)一步提到94.5%。壓縮性能測(cè)試顯示，合金1、2、5和6的抗壓縮強(qiáng)度分別達(dá)到了1 356、1 427、1 498 和 1 601 MPa。

經(jīng)1 150 ℃燒結(jié)后(見圖4(e)與(f))，6種合金的致密度分別為85.7%、89.6%、74.5%、82.7%、90.7%和93%；而抗壓縮強(qiáng)度分別為1 250、1 332、287、513、1 400和1 580 MPa。1 250 ℃及1 150 ℃燒結(jié)后，合金成分對(duì)材料的致密度及壓縮性能的影響與1 350 ℃時(shí)相類似。

上述表明，在Ti-5Al合金中單獨(dú)添加Mo或V，并不改變基體合金的致密度，而單獨(dú)添加 Ag則降低了基體合金的密度，但Ag與Mo、V同時(shí)添加時(shí)，基體合金的密度反而得到提高。而抗壓縮強(qiáng)度表明，在Ti-5Al基合金中單獨(dú)添加V或Ag時(shí)，合金的抗壓縮強(qiáng)度并未提高，但同時(shí)添加Mo、V和Ag時(shí)，合金的抗壓縮強(qiáng)度明顯提高，顯示出Ag只有通過Mo與V共同添加時(shí)，才能發(fā)揮其作用。

圖4 試樣在1 350、1 250及1 150 ℃燒結(jié)后的性能比較Fig.4 Properties comparison of samples after sintering at 1 350 ℃((a), (b)), 1 250 ℃((c), (d)) and 1 150 ℃((e), (f))

同時(shí)分析也顯示，對(duì)相同成分的Ti-5Al基粉末冶金合金，隨著燒結(jié)溫度的降低，合金的致密度與抗壓縮強(qiáng)度分別降低。如合金6在1 350 ℃，合金的致密度與壓縮強(qiáng)度分別達(dá)到96%與1 782 MPa；而經(jīng)1 150℃燒結(jié)后，合金的致密度與抗壓縮強(qiáng)度分別降低到93%與1 580 MPa。

根據(jù)圖4的結(jié)果可知，不同成分合金的強(qiáng)度與其致密度有一定的關(guān)系。DUCKWORTH[15]認(rèn)為，隨著致密度的增大，燒結(jié)合金的強(qiáng)度具有呈指數(shù)增大趨勢(shì)。而本研究中，由于合金成分及燒結(jié)溫度的不同，燒結(jié)體的致密度也不同，其中合金3的致密度最低，而合金6的致密度最高，因此，合金6的抗壓縮強(qiáng)度也相應(yīng)最大。

2.3 合金的斷口組織

圖5 合金在1 350 ℃燒結(jié)后的壓縮斷口形貌Fig.5 Compressive fracture surface morphologies of alloys 1(a), 2(b), 4(c), 5(d) and 6((e), (f)) after sintering at 1 350 ℃

對(duì)1 350 ℃燒結(jié)后合金的壓縮斷口進(jìn)行SEM觀察(見圖5)，合金中均含有孔洞，這是由于燒結(jié)過程中，并沒有完全致密化所產(chǎn)生的。同時(shí)添加 Mo、V的合金5(見圖5(d))相對(duì)合金1(見圖5(a))、合金2(見圖5(b))和合金3(見圖5(c))，孔洞數(shù)量減少。而在合金5中添加Ag時(shí)，合金6(見圖5(e))中的孔洞明顯減少。這與圖4(a)中合金相對(duì)密度的變化一致。從圖5中也看到，5種合金的斷裂主要都是穿晶斷裂與沿晶斷裂。但進(jìn)一步分析顯示，在合金2、5及6中，有片狀痕跡，特別是合金6中的片狀相更為明顯，能譜測(cè)試顯示這些片狀相是α相。對(duì)合金6中片狀相的高倍組織分析表明(見圖5(f))，這些片狀相由平均尺寸120 nm的層片狀組成，在層片之間有納米級(jí)的球狀 TiAg化合物，這些化合物可起到彌散強(qiáng)化作用。

3 結(jié)論

1) 在Ti-5Al合金中，單獨(dú)添加5%Ag或4%V時(shí)，合金的致密度及抗壓縮強(qiáng)度降低，而添加4%Mo則提高了合金的致密度與抗壓縮強(qiáng)度。

2) 當(dāng)5%Ag元素與4%Mo及4%V同時(shí)添加時(shí)，合金的致密度及抗壓縮強(qiáng)度明顯得到提高。1 350 ℃燒結(jié)后，Ti-5Al-4Mo-4V-5Ag合金的致密度與抗壓縮強(qiáng)度分別達(dá)到96%與1 782 MPa。

3) Mo、V和Ag的添加改變基體合金的物相組成及顯微組織，含4%Mo、4%V和5%Ag的Ti-5Al合金為典型魏德曼組織，片狀析出相中含有納米級(jí)的TiAg化合物相。

4) Ti-5Al基合金隨著燒結(jié)溫度的提高，其致密度與抗壓縮強(qiáng)度得到提高。

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Effects of Mo, V and Ag additions on microstructure and mechanical properties of powder metallurgy Ti-5Al alloy

XIAO Dai-hong, YANG Bao-gang, SHEN Ting-ting, YUAN Tie-chui, HE Yue-hui, WANG Shou-ren
(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

The powder metallurgy (P/M) Ti-Al-Mo-V-Ag alloys were processed by powder metallurgy using the blended elemental (BE) technique. The effects of Mo, V and Ag additions and sintering temperature on the microstructures and mechanical properties of the Ti-5Al alloys were investigated using optical microscope, scanning electron microscope and mechanical properties tests. The results show that adding Mo or V elements improves the compression strength of the based alloys after sintering at 1 350 ℃, and Ag element addition decreases the properties of Ti-5Al alloy. However,adding Ag element with Mo and V elements increases the density and compressive strength of P/M Ti-5Al alloy. The relative density and compressive strength of the Ti-5Al-4Mo-4V-5Ag alloy are 96% and 1 782 MPa, respectively.Moreover, the sintering temperature also affects the microstructures and properties of the PM Ti-5Al based alloys.

titanium alloys; microalloying; sintering temperature; microstructure; mechanical properties

TG 146.23

A

1004-0609(2011)06-1265-07

國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51021063)；國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50825102)；粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(PM2010)；中國(guó)博士后科學(xué)基金特別資助項(xiàng)目(200801348)；湖南省科技計(jì)劃博士后專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2009RS3025)

2010-06-28；

2010-09-28

肖代紅，副教授，博士；電話：0731-88877880；E-mail: xdh0615@163.com

(編輯 李艷紅)