元素Cr含量对粉末冶金TC4合金组织与性能的影响.pdf

第 2 O卷第 3期 、 ，0 1 ．2 O No ．3 粉末冶 金材料科 学与工程 M a t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i ng o f P o wd e r M e t a l l ur g y 2 0 1 5 年 6月 J un． 2 0 1 5 元素 C r 含量对粉末冶金 T C 4合金组织与性能的影响 张豪胤 ，祝要民 1 , 2 王文焱 一，谢敬佩 一 ，徐坚 ， 元亚 莎 ，许开辉 f 1 ．河南科技大学 材料 科学与工程学院，洛阳 4 7 1 0 0 3 ； 2 ． 河南省有色金属协同创新中心，洛阳 4 7 1 0 2 3 1 摘要采用冷等静压 真空烧结 热等静压 C H I P 法制备不同 c r 含量的 T C 4钛合金，通过金相显微镜分析、力 学性能测试、扫描电镜分析及透射电镜分析等方法研究 c r 元素对 T C 4微观组织与性能的影响。结果表明随 C r 元素含量增加，T C 4合金的抗拉强度、抗压强度升高，伸长率逐渐下降。C r 含量为 2 ％时，T C 4合金的抗拉强度 为 9 8 2 MP a ，伸长率为 1 4 ％，抗压 强度 为 1 6 3 2 MP a ，综 合力 学性能较好 。 关键词钛合金；粉末冶金；微观组织；力学性能 中图分类号T F 1 2 5 ． 2 2 文献标识码A 文章编号1 6 7 3 ． 0 2 2 4 2 0 1 5 3 ． 3 8 3 0 7 Ef f e c t o f Cr e l e m e n t a dd i t i o n o n mi c r o s t r uc t ur e a n d me c ha n i c a l pr o pe r t i e s o f po wde r m e t a l l ur g y TC4 a l l o y ZHANG Ha o ． y i n ， Z HU Ya o mi n 。 ， ，WA NG We n ． y a n ， ， XI E J i n g ． p e i ， ， XU J i a n ， YU A N Y a ． s h a ， XU K a i h u i 。 1 ． S c h o o l o f Ma t e r i a l S c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g ， H e n a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y , L u o y a n g 4 7 1 0 0 3 ， C h i n a ； 2 ． C o l l a b o r a t i v e I n n o v a t i o n C e n t e r o f N o n f e r r o u s Me t a l s ， L u o y a n g 4 7 1 0 0 3 ， C h i n a Ab s t r a c t T i 一 6 A1 4 V T C 4 a l l o y wi t h d i f f e r e n t C r c o n t e n t s w a s p r e p a r e d b y t h e me t h o d o f c o l d i s o s t a t i c p r e s s i n g v a c u u m s i n t e r i n g h o t i s o s t a t i c p r e s s i n g C H I P ． T h e e f f e c t o f C r c o n t e n t o n the mi c r o s t r u c t u r e s 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 6 A1 4 V a l l o y s wa s s t u d i e d u s i n g o p t i c a l m i c r o s c o p e ， me c h a n i c a l p r o p e rti e s t e s t ， S EM a n d T EM a n a l y e s e T h e r e s u l t s s h o w t h a t wi t h i n c r e a s i n g o f C r c o n t e n t ， t h e t e n s i l e s t r e n g t h a n d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f TC4 a l l o y g r a d u a l l y i n c r e a s e ，b u t e l o n g a t i o n d e c r e a s e s g r a d u a l l y ．Wh e n Cr e l e me n t c o n t e n t i s 2 ％，t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f T C4 a l l o y i s 9 8 2 MPa ，t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h i s 1 6 3 2 MPa a n d t h e e l o n g a t i o n i s 1 4 ％．Th e a l l o y h a s b e e r c o mp r e h e n s i v e me c h a n i c a l p r o p e rti e s ． Ke y wo r d s t i t a n i u m a l l o y s ； p o wd e r me t a l l u r g y ； mi c r o s t r u c tur e ； me c h a n i c a l p r o p e r t i e s 钛合金具有密度低、比强度高、抗腐蚀性能及生 物相容性好等优点。在航空、航天、汽车、舰艇及生 物医学等领域都有广泛的应用。被誉为 “ 现代金属” 、 “ 战略金属 ” 】 。 但 由于传统 的钛合金制备工 艺耗 能 大、周期长、材料利用率低等缺陷，导致钛合金价格 昂贵 ，阻碍其发 展应用 。与传 统冶金工艺相 比，粉末 冶金技术 由于具有近净 成形的优势 ，能够显著提高材 料利用率，大大降低加工成本，并且能够得到性能优 越、组织均匀、晶粒细小的钛合金材料，因此成为推 动 钛合金发展的重要技术【 卜 。 T C 4钛合金具有 良好 的综合力学性 能，在军工和 民用等领域都有广泛的应用。 但随着现代科技的发展， 人们对材料性能的要求越来越高。由于合金化元素对 粉末冶金钛合金组织和性能具有重要影响【 6 】 ，预期 c r 元素的加入会提高合金的抗压强度等，但是由于普通 烧 结法制备的钛合金致密度不高 ，因此本研究采用冷 等静压 真空烧结 热等静压 C HI P 方法制备不同 C r 含量的 T i ． 6 A1 ． 4 V T C 4 基合金，研究 C r 含量对 T C 4 组织与性能的影响，为其实际应用提供参考依据。 基金项目河南省重大科技4 PI 1 0 2 1 0 5 0 0 0 0 0 7 收稿 日期2 0 1 4 ． 0 3 ． 2 1 ；修订 日期2 0 1 4 0 5 ． 0 4 通讯作者祝要民，教授，博士。电话1 5 6 4 3 8 9 2 2 2 8 ；E - ma i l z ． y m5 9 1 6 3 ．c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 8 4 粉末冶金材料科学与工程 2 0 1 5年6月 1 实验 1 ． 1 试样的制备 实验所用原料为钛粉、铝粉、钒粉、铬粉，平均 粒径为 5 0岬 ，钛合金名义成分如表 1 所列。按照配 比称量粉末，混料处理后将粉末装入橡胶包套，在冷 等静压机中压成生坯，压力为 3 0 0 MP a ，保压 1 h 。然 后将压坯置于真空度为 l 1 0 P a的环境中烧结，烧 结温度为 1 3 0 0℃、保温 3 h 、随炉冷却。再将烧结坯 放入热等静压炉内，抽真空并用 A r气洗炉，加热升 压， 压力 1 1 0 MP a ， 温度 9 4 0℃， 保温 l h ， 随炉冷却 。 最终得到直径 4 0 mm，高 7 0 m m 的圆柱形试样。 表 1 实验合金的名义成分 T a b l e 1 No mi n a l c o mp o s i t i o n o f s a mp l e s ma s s f r a c t i o n ， ％ 1 ． 2 性能测试与检测 样品密度采用阿基米德排水法测量，每组测量 3 个试样，取平均值。试样抛光后采用 K r o l l 腐蚀剂 配 比为 H F H N O 3 H2 0 1 3 7 进行腐蚀， 使用金相显微镜 观察试样微观组织。室温压缩和拉伸性能测试在 日本 岛津 AG ． I 2 5 0 k N精密万能实验机上进行， 压缩测试的 试样尺寸为直径 6 mi l l 、 高 7 m m， 加载速率 1 mm ／ mi n ； 拉伸实验参照 G B ／ T 2 2 8 ． 2 0 0 2 “ 金属材料室温拉伸试验 方法”进行，拉伸试样的尺寸如图 1所示。用 J S M． 5 6 1 0 L V型扫描电镜观察断口的微观形貌。 2 结 果与讨论 2 ． 1 合金的显微组织分析 图2所示为不同 C r 含量的 T C 4钛合金的微观组 织形貌。从图 2可以看出，由 C H I P法制备的合金十 分致密 ，孔 隙基本 消除，只有少许微 小的球形封 闭孔 隙存在。图 2 a 、 b 分别为添加 1 ％、2 ％C r元素的 T C 4钛合金微观组织形貌，其组织主要由一些不连续 图 1 拉伸试样 F i g ． 1 T e n s i l e s a mp l e r n m 的初生 0 【 相和 B 转变组织构成。其中初生 相的含量 不足 5 0 ％，且主要分布在 D转变组织的基体上。图中 的初生 a相存在两种形态一种是片状的 集束域， 分布在 1 3 转变组织中；另一种是等轴 相，分布在转 变 B组织间。在钛合金中这种组织称为双态组织[ 7 - 8 ] 。 当 C r 含量增加到 3 ％、 4 ％时， 合金的组织具有明显的 魏氏组织特征。从图2 c 、 d 中可以看到完整清晰的 1 3 晶粒，连续的条状 0 【 相分布在 1 3 晶界上，呈细针或 粗 针状规则 排列 ，1 3晶粒 内还存在 片状 的 0 【 相集 束 域 [9 - 1 0 ] 。 C r元素含 量 的不 同是 导致 钛合金 组织形貌 不 同 的主要原因。 C r 元素属于 1 3 稳定元素，能够降低 13 相 转变温度。C r元素越多，B相转变温度越低。当 C r 元素含量为 l ％、2 ％时， B相转变点下降较少， 9 4 0℃ 处于两相 区上部 ，在加热保温后 的缓慢冷却过程 中， 可以得到双态组织。随 C r 含量增多，1 3 相转变温度逐 渐下降，9 4 0℃会高于 B 相转变温度，这时加热保温， 再缓慢炉冷就会得到针状魏氏组织。 2 ． 2 合金的相 分析 图 3 为不同 c r 含量的 T C 4合金的X R D图谱， 由 图 3 可知 不同 C r 含量的 T C 4合金均 由 叶 B相组成， 并没有其它析出相生成。 由于 c r 元素是 B相的同晶型 元素，可以降低 p相变点，提高 p相的稳定性，所以 随 C r 含量增多，a相数量逐渐减少，D 相数量逐渐增 多。当 C r 含量为 l ％、2 ％时，2 确 为 5 7 。 左右没有衍 射峰；当 C r 含量增加到 4 ％时，2 自 为 5 7 。 左右的衍 射峰已能被清楚地看到，表明 13 相增加较为明显。 2 - 3 合金的力学性能 2 ． 3 ． 1 C r 元素对 T C 4合金拉伸性能的影响 图4为不同 C r 含量的 H I P态 T C 4合金抗拉强度 与伸长率曲线。由图可见，随 C r 含量增加， T C 4合金 的抗拉 强度逐渐增加 。添加 4 ％的 C r 元素 时，抗拉强 度最大为 1 0 7 7 MP a 。而合金的伸长率随 C r 元素增加 逐渐降低。当 C r 元素的含量为 1 ％、2 ％时，钛合金的 塑性较好，伸长率分别为 1 5 ％、1 4 ％。这是 由于添加 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 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 第 2 0卷第 3期 张豪胤，等元素 c r 含量对粉末冶金 T C 4 合金组织与性能的影响 3 8 9 Te c h n olog y o f h yd r o g e n t r e a t m e n t f o r t i t a nium a l l o y a n d i t s a p p l i c a t i o n p r o s p e c t[ J 】 ．T h e C h i n e s e J o u r n a l o f No n f e r r o u s Me t a l s ， 2 0 0 3 ， 1 3 3 5 3 3 5 4 9 ． [ 2 ] 曹春 晓．一代材料 技术 ，～代 大型 飞机[ J 1 _航空 学报，2 0 0 8 ， 2 9 3 7 0 1 7 0 6 ． CAO Ch u n x i a o ．On e g e n e r a t i o n o f ma t e ria l t e c h no l o g y ，o n e g e n e r a t i o n o f l a r g e a i r c r a f t [ J ] ． Ac t a Ae r o n a u t i c a E t As t r o n a u t i c a S i n i c a ， 2 0 0 8 ， 2 9 3 7 0 1 7 0 6 ． 【 3 ] 邱敬文 ，刘 咏，刘延 斌，等．粉末冶金 T i 一 1 ．5 F e 一 2 ． 2 5 Mo 钛 合金 的热变形本构方 程[ J ] ． 粉末 冶金材料科 学与工程，2 0 1 2 ， 1 5 5 4 3 9 - 4 4 4 ． QI U J i n g we n ，L i u Yo n g ，L I U Ya n b i n ，e t a 1 ．C o n s t i t u t i v e e q ua t i o n s f o r h o t d e f o r m a t i o n o f Ti 1 ．5 Fe 一 2 ． 2 5 M o a l l o y p r e p a r e d b y p o wd e r me t a l l u r g y [ J ] ．Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g o f P o wd e r Me t a l l urg y ， 2 0 1 2 ， 1 5 5 4 3 9 - 4 4 4 ． [ 4 ]HA NS O N A D， R UNK LE J C ， WI DME R R ， e t a 1 ． T i t a n i u m n e a r s h a p e s f r o m e l e me n t a l p o wd e r b l e n d s[ J 】 ． I n t e rna t i o n a l J o u r n a l o f P o wd e r Me t a l l u r g y ， 1 9 9 0 ， 2 6 2 1 5 7 1 6 4 ． [ 5 ] 汤慧萍，黄伯 云，刘咏，等．粉末冶金钛 合金致密化研究进 展[ J ] ． 稀 有金材 料与工程， 2 0 0 3 ， 3 2 9 6 7 7 6 8 0 ． T ANG Hu i p i n g ， HUANG Ba i y u n， LI U Yo n g ， e t a 1 ． P r o g r e s s i n t h e d e n s i fi c a t i o n o f p o wd e r me t a l l u r g i c a l t i t a n i u m a l l o y s[ J ] ． R a r e Me t a l Ma t e r i a l s a n d E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 3 ， 3 2 9 6 7 7 6 8 0 ． [ 6 ]L I U Yo n g ， C HE N L i f a n g ， WE I We i - f e n g ， e t a 1 ． I mp r o v e me n t o f d u c t i l i t y o f po wd e r m e t a l l u r g y t i t a n i um a l l o ys b y a d d i t i o n o f r a r e e a r t h e l e me n t [ J ] _J o u rna l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d T e c hn o l o g y ， 2 0 0 6 ， 2 2 4 4 6 5 4 6 9 ． [ 7 】X I E Xi we n ，L U Ru o y i n g ．Me t a l l o g r a p h y P ri n c i p l e [ M] ． B e ij i n g A v i a t i o n I n d u s t r y P r e s s ， 1 9 8 7 2 9 2 2 9 4 ． [ 8 ] 黄伯 云．粉末 冶金 原理 [ M】 ．北京 冶金工 业 出版社 ，2 0 0 4 1 3 3 -1 35 ． HU ANG B o y u n ．P o w d e r Me t a l l u r g y P ri n c i p l e[ M] ． Be O i n g M e t a l l u r g i c a l I n d us t ry P r e s s ， 2 0 0 4 1 3 3 1 3 5 ． [ 9 ] 王辉，汤慧萍，刘咏，等．铸造 T i M 基合金 的热变形行 为 及加工 IN[ J ] ． 粉末冶金材料科 学与] _ 程， 2 0 1 2 ， l 7 4 4 0 1 4 0 7 W ANG Hui ， TANG Hu i p i n g， LI U Yo n g ， e t a 1 ． Ho t d e f o r ma t i o n b e h a v i o r s a n d p r o c e s s i n g ma p s o f a s c a s t T i AI b a s e d a l l o y[ J 】 ． M a t e r i a l s Sc i e n c e a n d En g i n e e r i n g o f Po wd e r M e t a l l ur g y ， 2 01 2 ， 1 7 r 4 、 4 01 4 0 7 ． [ 1 O ] 张喜燕 ，赵永 庆，白晨 光．钛 合金及 应用[ M] ．北京 化学工 业出版社， 2 0 0 5 6 8 6 9 ． ZHANG Xi y a n ， ZHAO Yo n g q i n g ， BAI Ch e n g u a n g． Ti t an i u m Al l o y a n d I t s A p p l i c a t i o n[ M] ． Be i j i n g Ch e mi c a l I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 0 5 6 8 69 ． [ 1 1 】 黄培 云．粉 末冶 金 原理 [ M】 ．北 京冶金 工业 出版 社，2 0 0 8 1 48 ． HUA NG P e i y u n ． P o wd e r Me t a l l u r g y P r i n c i p l e[ M] ．B e ij i n g M e t a l l u r g i c a l I n d us t ry Pr e s s ， 2 0 0 4 1 48 ． [ 1 2 】 DUC KWO RT H W． Di s c u s s i o n o f r y s h k e wi t c h p a p e r f J 】 ． J o u rna l o fAme r i c a n Ce r a mi c s S o c i e t y ，1 9 5 3 ， 3 6 6 8 7 5 ． [ 1 3 ] Z HA NG X D， E VA NS D J ， B AE S L AC K W A， e t a 1 ． E f f e c t o f l o ng t e rm a g i ng o n t h e mi c r os t r u c t u r a l s t a b i l i t y a nd m e c h a n i c a l p r o p e i e s o f T i 一 6 AI - 2 C r - 2 Mo 一 2 S n 一 2 Z r a l l o y[ J ] ． Ma t e r S c i E n g A． 2 0 0 3 ． 3 4 4 1 ／ 2 3 0 0 3 1 1 ． 编辑高海燕 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m