稀土釹對鈦合金物理性能的影響

朱興偉

(安徽醫學高等專科學校 基礎部，安徽 合肥 230601)

鈦及鈦合金具有優良的綜合力學性能，其比強度、比剛度高、耐腐蝕性能強、抗疲勞和高溫蠕變性能好，廣泛應用在各行各業，被譽為“未來金屬”[1-3]。近年來，隨著制造業水平不斷提升，鈦材應用范圍日益擴大，尤其在民用領域有了長足發展，鈦材制品逐漸走進了千家萬戶[4-5]。

鈦材冷變形性能較差，傳統的機械加工制備技術應用非常有限。近年來，由于近凈成形技術的特點，粉末冶金技術已經開始用于制造鈦及鈦合金制品[6-8]。然而，鈦粉的高活性以致最終粉末冶金成品的氧含量較高，嚴重影響了延性[9-10]。擬利用氫化脫氫(HDH)鈦粉末加入不同含量的釹粉，通過真空燒結研究不同含量的釹粉對鈦中雜質氧含量的影響，深入探討添加稀土釹對鈦合金物理性能(包括屈服應力、抗拉強度、延伸率等指標)的影響。

1 試驗方法和過程

1.1 試驗材料

粉末原料為北京浩運有限責任公司提供的HDH Ti粉和長沙天久金屬材料有限公司提供的稀土釹粉末。原料粉末的成分及粒度如表1和表2所示，粒度分布如圖1、圖2所示。

表2 Nd粉的成分(wt.)和粒度

圖2 Nd粉末粒度分布曲線

1.2 試驗流程

本實驗采用工藝流程如圖3所示。

圖3 實驗工藝流程圖

1.制備混合粉末。采用人工干混的方式，將Ti粉和Nd粉按不同質量比例(如表3所示)混合均勻。

表3 粉末原料配比

2.壓制成形狀。采用YH41-25C壓機進行壓制成形，樣品示意圖如圖4所示。

圖4 P/M拉伸樣

3.燒結。鈦對C、O雜質極其敏感，必須在高真空環境下進行燒結。本實驗在VSF-112燒結爐中進行，燒結溫度為1200℃，保溫時間2h，真空度維持在10～3Pa，爐溫自然冷卻到常溫。

1.3 試驗設備

實驗中各工序所使用的設備及型號見表4。

表4 實驗設備一覽表

1.4 測試方法

重量測量。采用電子天平測量，精度為0.01g。

密度測量。最終試樣的密度測量采用阿基米德排水法進行測量，測量儀器采用電子天平，精度為0.01g。

力學性能測試。在電子萬能試驗機上進行，測試燒結后試樣的抗拉強度、屈服強度和延伸率。

金相顯微分析。試樣的金相樣品按常規方法制備，腐蝕液由蒸餾水50mL、HNO3(密度為1.4g/cm3)4mL、HF酸(40wt.%)1mL混合成的酸洗液，腐蝕10～15秒。金相觀察在金相顯微鏡上進行。

2 結果與分析

2.1 釹含量對鈦相對密度和拉伸性能的影響

表5 試樣的拉伸性能

圖5 鈦中釹含量與相對密度的關系

圖6 鈦中釹含量與拉伸強度的關系

由表5、圖5、圖6可知，鈦中添加不同含量的釹時，與不含釹的合金相比，合金的室溫拉伸強度和相對密度均有比較明顯的提高，延展性也有一定的提高。

在一定的范圍內，隨著釹含量的不斷增加，合金的拉伸強度從386MPa升高到661MPa，相對密度從94.9到98.2以及延展性從2.4%到6.5%。超過這個范圍，隨著釹含量的增加，合金的拉伸強度、相對密度以及延展性都有不同程度的降低。

圖7 Ti-Nd二元合金相圖

如圖7所示為Ti-Nd二元合金相圖。釹在鈦中的溶解度在1.5wt%左右，燒結溫度高于釹的熔點1025℃，過量的釹以熔融狀態分散在鈦粉表面，可以吸收鈦粉表面的氧雜質，形成更為穩定的釹的氧化物[11]。該燒結溫度下試樣中的釹為液相，添加的Nd超過固溶度時，試樣的致密化程度有一定的提高；然而，當釹含量過高時，該燒結溫度下過量的Nd以液相存在，易從試樣表面揮發，使得試樣中留下很多孔隙，導致合金的相對密度降低。

根據Ti-Nd二元相圖，Ti-Nd沒有產生中間化合物，因此Nd對Ti力學性能的影響機理主要是固溶強化和凈化雜質，一是Ti基體的抗拉強度受到O固溶強化作用影響；二是Nd的固溶強化作用；三是過量Nd吸收O后形成Nd氧化物，起到彌散強化作用。Nd含量為1.2wt%時，小于Nd在Ti中的固溶度1.5wt%，Nd完全固溶在Ti中，起到了固溶強化作用，同時還有極少量偏聚狀態Nd能夠凈化Ti基體中的O，從而延性和抗拉強度相對純Ti有所提升。當Nd含量超過固溶度時，過量的Nd吸收了Ti基體中的O，延性顯著提高，但是由于Ti基體中的O被凈化，O產生的固溶強化作用弱化，從而整體抗拉強度有所降低，同時Nd的氧化物起了一定的彌散強化作用，共同作用下試樣抗拉強度略為降低，降幅在5% 以內，幾乎可以忽略不計。當Nd含量為5.6wt%時，由于Nd的蒸發作用，試樣密度顯著降低，拉伸性能和致密度都明顯下降。

2.2 釹對鈦顯微結構的影響

從圖8中可知，白色的相為鈦相，黑色的相為釹相，而灰色的相為孔洞。由于釹在鈦的溶解度很小，因此釹絕大部分分布在基體的晶界處，釹在燒結過程中為液相，可以看到晶界處是比較模糊的。

由圖8的金相圖片可以看出，添加釹后，試樣的孔隙率明顯降低，孔徑也略大于純Ti試樣，純Ti、Ti-2.4Nd、Ti-4.0Nd、Ti-5.6Nd晶粒尺寸分別為37μm、32μm、31μm、30μm，添加釹后明顯有晶粒細化的現象。同時，添加釹試樣在晶界處分布了一些黑色形狀不規則的顆粒，直徑不到9μm，推斷其為釹顆粒或者釹的氧化物顆粒，作為第二相彌散在晶界上。

圖8 Ti-Nd試樣的金相圖片

燒結時，彌散的第二相(如孔隙、夾雜物等)對晶界遷移有一定的阻礙作用，第二相越多，對晶粒長大的阻礙作用越大。由于鈦基體中加入釹時，基體中孔隙的數量減少，有利于晶粒長大；同時彌散稀土釹或者釹的氧化物能夠阻礙晶粒長大。從實驗結果來看，后者對晶粒長大的阻礙作用要明顯大于前者的促進作用，因此添加釹后的試樣晶粒尺寸要小于純鈦試樣。

3 結論

(1)添加一定量的Nd能夠顯著提高純鈦的力學性能，Nd含量在0至4wt%之間，隨著釹含量的不斷增加，合金的力學性能提升。

(2)添加釹后試樣孔隙含量明顯減少,孔徑比基體合金的略微粗化,大孔的數量也增加。與不含釹的純鈦試樣相比,添加釹的試樣晶粒度明顯細小，這說明釹對鈦產生了明顯的晶粒細化作用。