粉末冶金法低成本制备Ti-1Al-8V-5Fe合金的组织和性能.pdf

第 3 2卷第 6期 2 0 1 4年 1 2月 粉 末冶 金技 术 Po wde r M e t al l u r gy Te c hno l o g y Vo 1 ． 32．No ． 6 De c ．2 0l 4 粉末冶金法低成本制备 T i 一 1 A 1 8 V 一 5 F e 合金的组织和性能 术 高思宇 一 刘平 王春 明 肖素 芬 陈云贵 一 四川 I 大学材料科学 与工程学 院 ， 成都 6 1 0 0 6 5 摘要 本文 以低成本 F e V 。 中间合 金粉末为原料 ， 用 粉末冶 金法制 备 了 T i 1 8 5合金 ， 并对 其组织 和力 学性 能进行分 析检测。实验结果表明 ， 该方法制备出的烧结合金组织均匀 ， 无元素偏析 ， 未 产生传统 熔炼 方法中不 可避免 的“ 卢斑” ； 其抗拉强度可达到 8 4 0 2 0 MP a 、 屈 服强度可达到 7 7 21 5 M P a 、 延伸率为 5 ． 4 0 ． 3 ％ ， 综合 性能可与 市售 T i 1 8 5合金坯料媲美 。 关键词 粉末冶金 ； 显微 组织 ； 力学性能 ； F e V 。 中间合金粉 ； T i 一 1 A 1 8 V 一 5 F e 合金 M i c r o s t r uc t u r e a nd m e c ha ni c a l p r o p e r t i e s o f l o w- c o s t Ti - 1 AI 一 8 V一 5 Fe a l l o y us i n g PM m e t h o d Ga o S i y u，Li u Pi ng，W a ng Chunmi ng，Xi ao Suf e n，Ch e n Yun gui C o l l e g e o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， S i c h u a n U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 6 5 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e mi c r o s t r u c t u r e a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f T i 一 1 A1 8 V一 5 F e a l l o y s u s i n g 1 0 w c o s t F e V8 0 ma s t e r a l l o y po wde r by po wd e r me t a l l u r g y t e c h n o l o g y we r e t e s t e d ． Th e r e s ul t s s h o w t h a t t he mi c r o s t r u c t ur e o f t h e s a mpl e i s ho mo g e n e o u s，no e l e me nt s e g r e g a t i o n a nd t h e b e t a fle c ks a r e o b s e r v e d． Th e t e ns i l e s t r e ng t h o f v a c uu m s i n t e r e d s a mpl e s i s 84 02 0 MPa，t h e yi e l d s t r e n g t h i s 7 7 2 1 5 MPa，a nd t h e s t r a i n i s 5． 4 0． 3％ ；whi c h c o mp a r e we l l wi t h t h o s e p r o d uc ed b y t h e t r a d i t i o na l i n g o t me t a l l u r g y r o u t e ． Ke y wor dsp o wd e r me t a l l u r g y；mi c r o s t r uc t u r e；me c h a n i c a l p r o p e r t i e s；F e V8 0 ma s t e r all o y p o wd e r ；T i 一 1 A1 8V一 5 Fe all o y 钛及钛合金因其具有 良好 的抗腐蚀性 、 较高的 比强度和良好 的耐疲劳性能 ， 使其在航空航天、 医疗 器械和汽车 等行业有 着广泛 的应 用。 ； 其 中 T i - 1 A 1 8 V 一 5 F e T i 1 8 5 合金 因其具有较 高的抗 拉强度 1 3 8 0 MP a 和剪切 强 度 7 9 5 MP a ， 被 认为 是 目前钛合金中强度最 高的合金 ， 广泛应用 于航空紧 固件和一些对于强度要求 较高 的环 境 中 。但 是 由于其具有较高的 F e含量 ， 在合金熔炼的制备过程 会不可避免的产生 F e元素的偏析 ， 形成“ 斑” ； 使 得在合金制备过程 中要采用多次熔炼、 热变形加工、 热处 理等 方式 来 防止 这 种 成 分 的偏 析 ， 增 加 了其 制 备工序和成本 。另外 ， 较 高含 量金属 V的加入 ， 也 大 大增 加 了制备 T i 1 8 5合 金 的成 本 。 近年 来发 展起来 的粉末冶金法钛合金 制备技术 因其 近净 成 型 、 低 成本 的优 点 而备受 青 睐 ， 已成 为生 产钛 合金 的 一 种 可行 的方 法 。通 过 该技术 制备 合金 可 以获得 均 匀的合金组织 ， 大大提高材料的利用率 ， 降低合金制 备成本 。目前通过粉末冶金技术制备的汽车连杆 、 阀门等部件及一些航空锻件已取得广泛应用。但 目 前 所 采 用 的 原 料 粉 为 元 素 粉或 A 1 ． V、 A l 。 V ． F e等 合 金粉 ， 相对来讲价格较高 ’ 卜 ， 而通过较 为廉价 的 F e ． V中间合金粉作为原料代替金属 V和 F e粉 ， 四J I I 省大学生创新实验项 目 1 0 3 0 1 0 4 1 3 8 0 0 2 }高思宇 1 9 8 9一 ， 男 ， 硕士研究 生。E m a i l 3 6 3 6 0 7 4 8 4 q q ． c o m }通信作者 陈云贵 1 9 6 1一 ， 男 ， 教授 。E m a i l c h e n y u n g u i S C U ． e d u ． c n 收稿 时间 2 0 1 4 0 81 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 2 8 粉 末冶金技术 在原 材料 方 面可 以进 一 步 降 低 生 产成 本 ， 为 开发 低 成 本钛 合金 提供 一种新 的思路 和方 法 。本 文 以低成 本 F e V 。 合金粉为原料 ， 粉末冶金法制备 了 T i l 8 5合 金 ， 分 析研究 了合 金样 品 的组织 和性 能 ， 并 与 国外 市 售 粉末 冶金 法 T i l 8 5合 金 坯 料 进行 对 比 ， 以 确 定 以 F e V 合金为原料低成本制备钛合金 的可行性 。 1 试 验 T i l 8 5的名义 成 分 为 T i ． 1 ％ A 1 8 ％ V 一 5 ％ F e 质 量分 数 。按 照名 义成 分 称 取 一定 量 的 氢 化脱 氢 钛 粉 4 5 D x m， 成 都 华 瑞 金 属 材 料 有 限公 司 、 市 售 F e V 。 粉 成分 详见 表 1 ， 3 8～ 4 8 m 、 F e粉 4 8～ 7 5 ／, z m， 分析纯 、 A 1 粉 3 8～4 8 m， 分析纯 。将其置 于手 动 Y型混 料器 中充 分混 料 2 0 ra i n后 ， 在室 温下 通 过 6 0 0 MP a的单 向轴 压 压制 成 6 0 mm1 4 mm x 7 m m 的压 坯 ， 随后将 压坯 放入 真空 钼丝 炉 中进行 真 空烧结 ， 真 空度 为 4～5 1 0 P a ， 为 了 使 合 金 元 素能够充分的扩散 ， 将升温速率控制为4℃／ m i n ， 并 在 1 3 5 0℃保温 4 h 。 采用 阿基 米德 排水 法进 行测量 烧 结样 品 的相对 表 1 试验 用 F e V 。 粉末成分与国标 F e V 。 合金 的成分 对比 质量分数 Ta bl e 1 The c h e mi c a l c o mpo s i t i o n o f e x p e r i me n t a l Fe V 8 o po wd e r a nd t h e GB s t a nd a r d ％ 密度 ， 密度 值取 三 组 样 品 的平 均 值 。将 烧 结 样 品通 过线切割机加工成截面积为 2 mm 4 mm， 标距 为 1 0 mi l l 的拉伸样 品和 西 55 mm金相观察 样品 ， 将 拉伸样品表面打磨后 ， 通过万能力学试验机进行拉 伸性能测试 ， 载荷速度 0 ． 5 m m ／ mi n 。 按 照 V H F V H N O H， O 1 3 5 的配 比混合制备腐蚀液 ， 在 圆片试样抛光表面上腐蚀 3 ～ 5 S 。将腐 蚀 后 的试 样 于 光 学 显 微 镜 及 配 有 能谱 的扫描 电子 显微镜 J E O L J S M 6 4 9 0 L V 下进 行 组 织 成分 的分 析 。采 用 D X一 2 6 0 0型 x射 线 衍 射 仪 进 行 物相分析 C u K 0 【 ， 采样时间为 l ， 扫描范围2 0 2 0～ 8 0 。 ， 扫描 速度 为 0 ． 0 4。 ／ s 。 2结果与讨论 2 ． 1显微 组 织结构 分析 图 1为粉末冶金 T i l 8 5合金的 X R D衍射 图谱 ， 从 图 中可看 出 ， 该 烧 结样 品 由 相 和 相 组 成 。 图 2为其 显微 组 织 。从 图 中 可 以 看 出 在 灰 黑 色 的 相基体上 ， 灰 白色的 相 主要 以条状形式存 在 ， 并 主要集中在晶粒 内或者晶界上。从 图 2 b 的高倍 S E M图像中也 可看 出在 晶粒 内和晶界上仍存在 一 些 孑 L 洞 。 经 测 定 ， 烧 结 样 品 的 相 对 密 度 为 9 7 ％ 左 右 ， 其 相基体的晶粒尺寸为 1 0 0～1 5 0 m， 相的 宽度大约为 3～l 0 m， 合金组织呈现出粉末冶金钛 合 金典 型 的“ 网蓝” 状 组织 。 图 3为粉末 冶 金 T i l 8 5合 金 组织 E D S分 析 图 ， 图 1 粉末 台金 T i 1 8 5合金 的 X R D图谱 Fi g ． 1 XRD pa t t e r n o f a s s i n t e r e d Ti l 8 5 a l l o y 从 图中可看出 T i 元素在整个区域分布均匀。而 V、 F e两种 稳定元素也均匀分布在整个区域 ， 没有产 生熔 炼制 备 方 法 会 出 现 的局 部 富 集 情 况 。虽 然 相稳定元素 A l 含量较少 ， 但其分布依然很均匀。 从 面扫 描 的结 果 中可 以看 出 ， 整 个 区域 中 四种 合金元素分布较为平均 ， 并没有出现明显的元 素局 部偏 聚现 象 。成分 的微 小差 异 主要体 现在 不 同的物 相 中 。 从 以上显 微组 织分 析可 以看 出 ， 尽 管 用 了 F e V 中问合金 为 原 料 ， 但 整 个 组织 中 相 和 相 均 匀分 布 ， 并没有产生成分偏析 ， 没有观察到传统熔炼_ 力 Ⅱ 工方法制备过程中不 可避免 的“ 斑” 及 F e元素的 富集 ； 表明了用 F e V 。 中间合金来制备 T i l 8 5合金的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m