包套設計對典型粉末鈦合金拉伸性能的影響

郭瑞鵬 ，徐 磊，柏春光，吳 杰，王清江，楊 銳

(1. 中國科學院 金屬研究所，沈陽 110016；2. 東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819)

鈦合金具有比強度高、高溫性能好、抗腐蝕性能優(yōu)異等優(yōu)點，因而在航空航天、海洋開發(fā)等領域有著越來越廣泛的用途[1]。鈦合金構件的常用加工方法有精密鑄造和鍛造。然而，對于大型薄壁和復雜結構的鈦合金構件，鑄造工藝方法存在難以徹底解決的疏松、成分偏析等鑄造缺陷，會嚴重惡化鑄件性能。鍛造鈦合金雖然性能優(yōu)良，但對于復雜結構件，其熱機械加工工藝復雜，加工時存在回彈現象，周期長，材料利用率極低等缺點[2-3]。而粉末冶金工藝材料利用率高，后續(xù)加工量小，并且快速凝固制粉工藝能夠提高低溶解度合金元素的過飽和固溶度，在很大程度上解決了成分偏析和偏聚[4-5]。近年來，隨著制粉技術的進步和粉末冶金近凈成型技術的成熟，美歐等發(fā)達國家已經采用粉末冶金工藝制備了許多結構復雜的鈦合金構件，并獲得了初步應用。粉末冶金近凈成型工藝設計靈活，能夠制備大型和復雜結構鈦合金構件，已經成為國內外研究的熱點領域[6-9]。隨著計算機技術的發(fā)展，3D CAD和 Solidworks等三維造型軟件以及MARC/ABSQUS等有限元仿真軟件功能的日益提升和完善，計算機輔助包套設計在粉末冶金鈦合金近凈成型工藝中的應用也越來越普遍。然而，國際上大多數研究工作主要集中在粉末冶金鈦合金熱等靜壓過程中的致密化行為[10]或者粉末冶金構件最終尺寸的預測[9]上，但由于包套設計引起的結構變化對粉末冶金合金力學性能的影響報道較少。本文作者設計了兩種不同形式的包套，并利用熱等靜壓工藝制備了兩種典型的近α型鈦合金Ti-6Al-4V和Ti-60，從實驗和有限元預測兩個方面研究了包套設計對Ti-6Al-4V和Ti-60粉末合金拉伸性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗材料

本實驗中，采用無坩堝感應熔煉超聲氣體霧化法制備Ti-6Al-4V和Ti-60兩種預合金粉末，其化學成分如表 1和表 2所示。預合金粉末粒度主要分布在60~250 μm之間，且呈高斯分布。

1.2 實驗方法

將預合金粉末填充到潔凈的低碳鋼圓柱形包套(包套尺寸為d40 mm×120 mm，壁厚3 mm)中，保證預合金粉末的填充密度在68%左右。包套體經真空除氣、封焊，然后在930 ℃、130 MPa、3 h條件下進行熱等靜壓處理，得到全致密的Ti-6Al-4V和Ti-60粉末合金[11-12]。實驗中用到兩種不同形式的包套，包套實物圖如圖1所示。對于Ⅰ型包套和Ⅱ型包套，包套端蓋設計的不同導致包套焊縫位置的改變：Ⅰ型包套的端蓋的外形尺寸為d40 mm×3 mm，Ⅱ型包套端蓋尺寸為d46 mm×6 mm。本實驗中，由Ⅰ型包套體和Ⅱ型包套體經熱等靜壓成型得到的粉末合金分別稱為Ⅰ型合金和Ⅱ型合金。利用有限元模擬軟件對兩種包套在熱等靜壓過程中各部位的尺寸收縮進行了數值模擬。

表1 Ti-6Al-4V預合金粉末的化學成分Table 1 Chemical composition of Ti-6Al-4V pre-alloyed powders (mass fraction, %)

表2 Ti-60預合金粉末的化學成分Table 2 Chemical composition of Ti-60 pre-alloyed powders(mass fraction, %)

采用TCH 600 氧、氮和氫分析儀測量兩種粉末合金中間隙元素氧、氮和氫的含量；采用PMA-1000 質譜氣體分析儀測量了粉末合金中的氬氣含量。粉末合金的室溫拉伸和高溫拉伸性能測試在德國 Zick Z050型電子拉伸試驗機完成。采用日本島津生產SSX-350型掃描電子顯微鏡對拉伸斷口進行觀察。

2 結果與討論

2.1 包套結構對粉末熱等靜壓成型的影響

圖1 兩種形式包套實物圖Fig. 1 Pictures of two different cans ( type Ⅰ can, type Ⅱ can)

EISEN等[13]研究認為，如果焊縫位置存在剪切應力，會大大增加包套在熱等靜壓過程中發(fā)生泄漏的傾向，從而影響粉末合金的冶金質量。實驗研究過程中通?？梢愿鶕淄庥^尺寸收縮情況、致密度測試以及焊縫熒光檢測等結果，判斷包套體是否順利地進行了熱等靜壓成型。本實驗中選用兩種不同形式的包套進行熱等靜壓試驗，初步判斷了相應的熱等靜壓成型的成功率，結果表明：Ⅰ型包套的成功率約為75%，Ⅱ型包套的成功率在95%以上；Ⅱ型包套的設計明顯優(yōu)于Ⅰ型包套的設計。

包套泄漏分為微泄漏和嚴重泄漏，嚴重泄漏的包套可以從外觀尺寸變化分辨出來，而微泄漏較難辨別，對材料性能影響也最大。其原因如下：熱等靜壓是一個動態(tài)升溫升壓的過程，如果焊縫位置存在冶金缺陷并且包套在熱等靜壓升溫升壓階段從焊縫缺陷處滲入一定量的氬氣，當達到設定的溫度和壓力時，缺陷在高溫高壓的作用下可能會閉合從而形成良好的冶金結合，此時包套內部就會存留一定壓力的氬氣。焊縫產生缺陷的原因可能如下：1) 焊縫融合區(qū)存在焊絲氧化形成的非金屬夾雜缺陷；2) 焊縫處混入了填充的鈦合金粉末；3) 熔焊區(qū)氣體保護不良導致焊縫冶金質量差。當熱等靜壓結束，降溫降壓過程中，包套內部壓力大于外界壓力，嚴重時可能會造成包套膨脹(嚴重泄漏)，也可能在熱處理過程中造成包套內部封閉氣體的膨脹(微泄漏)，這種情況會在后續(xù)討論中詳細說明。

2.2 有限元仿真輔助包套設計

本實驗中選擇了低碳鋼圓柱形包套(包套尺寸為d 40 mm×120 mm，壁厚3 mm)，粉末的振實密度達到理論密度的68%左右。粉末體在熱等靜壓過程中的體積收縮超過30%，如此大的收縮量會給包套設計帶來很大考驗，包套不僅需要順利容納粉末熱等靜壓致密化導致的體積收縮，而且要確保收縮均勻，特別是保證局部發(fā)生大變形的部位不會發(fā)生撕裂引起熱等靜壓失敗。為此，本實驗中引入有限元仿真輔助包套設計，力求通過合理的包套設計降低熱等靜壓失效的風險。

由于選用的兩種包套均為軸對稱結構，建模時只對對稱面的二分之一進行分析考慮。包套軸向尺寸收縮的計算結果如圖2所示。從圖2(a)可以看出，Ⅰ型包套端蓋處的尺寸收縮從中心到焊縫位置軸向位移差別很大，Ⅱ型包套端蓋處的收縮比較均勻，從中心到焊縫位置軸向位移并無明顯差異(見圖 2(b))。將包套端蓋中心到邊緣進行等距離剖分，對應節(jié)點位置的軸向位移如圖3所示。從圖3可以看出，Ⅰ型包套端蓋中心的軸向位移為7.3 mm，而焊縫位置的軸向位移僅為2.2 mm左右，而Ⅱ型包套端蓋處的軸向位移均在4.9~5.4 mm之間。

圖2 Ⅰ型和Ⅱ型包套位移云圖Fig. 2 Displacement distribution in y-axis of two typical cans: (a) Type Ⅰ can; (b) Type Ⅱ can

圖3 包套端蓋縱向位移與位置的關系Fig. 3 Displacement in y-axis at different positions for two typical cans

圖4 包套端蓋部位的受力分析圖Fig. 4 HIPping pressure analysis of two typical caps: (a) TypeⅠ can; (b) Type Ⅱ can

圖4所示為Ⅰ型和Ⅱ型包套端蓋部位的受力分析圖。從圖4可以看出，Ⅰ型包套的焊縫位置存在切應力，Ⅱ型包套由于端蓋的保護作用，有效地降低了焊縫位置的剪切作用。包套焊縫位置可以認為是剛性連接，結合有限元模擬的計算結果(見圖2和圖3)，剪切應力使得Ⅰ型包套焊縫附近至端蓋中心發(fā)生較大且不均勻的塑性變形，增加了包套焊縫泄漏的可能性，從而降低Ⅰ型包套熱等靜壓成型的成功率。Ⅱ型包套端蓋的設計等效為增加了焊縫區(qū)域包套的壁厚，能夠有效地削弱焊縫位置的剪切力，提高Ⅱ型包套熱等靜壓成型的成功率。包套壁厚的增加會導致粉末體熱等靜壓致密化過程中包套屏蔽效應的增加，然而，程文祥[14]通過對不同包套壁厚對Ti-5Al-2.5Sn ELI預合金粉末致密化行為的研究表明，在較高的保壓壓力下，包套壁厚引起的屏蔽效應會導致相應區(qū)域致密化進程的差異，但對最終的致密度無明顯影響。Ti-5Al-2.5Sn ELI、Ti-6Al-4V和Ti-60均屬典型的近α型鈦合金，因此，可以認為本實驗中包套設計對粉末合金的致密度無明顯影響，但會顯著降低包套焊縫發(fā)生微泄漏的風險。

2.3 包套缺陷對粉末合金冶金質量的影響

選擇初步判定熱等靜壓成功的兩種包套體，切取樣品進行力學性能測試和組織分析。表3和表4所列分別為Ⅰ型包套和Ⅱ型包套體熱等靜壓后 Ti-6Al-4V和 Ti-60兩種粉末合金的拉伸性能。兩種粉末合金對應的拉伸斷口形貌如圖5所示。從表3可以看出，通過Ⅰ型包套體熱等靜壓成型得到的Ti-6Al-4V合金(Ⅰ型合金)的拉伸性能明顯低于通過Ⅱ型包套體獲得的粉末合金(Ⅱ型合金)的。室溫抗拉強度降低70 MPa左右，室溫伸長率降低超過 50%；高溫條件下，Ⅰ型Ti-6Al-4V合金的伸長率較Ⅱ型合金的伸長率沒有明顯降低，然而抗拉強度惡化程度顯著，350 ℃下抗拉強度降低約140 MPa，400 ℃下抗拉強度降低約170 MPa。從圖5(a)可以看出，Ⅰ型Ti-6Al-4V粉末合金的斷口雖然有一部分韌窩，但原始顆粒邊界和大量的微觀孔洞清晰可見；而Ⅱ型粉末合金的斷口(見圖 5(b))由豐富的韌窩組成，無明顯的孔洞。

表3 兩種不同包套中制備的熱等靜壓態(tài) Ti-6Al-4V的拉伸性能Table 3 Tensile properties of HIPped Ti-6Al-4V prepared in two typical cans

表4 兩種不同包套中制備熱等靜壓態(tài) Ti-60的拉伸性能Table 4 Tensile properties of HIPped Ti-60 prepared in two typical cans

從表4可以看出，Ⅰ型Ti-60粉末合金未到屈服點全部發(fā)生脆斷，而Ⅱ型 Ti-60粉末合金的拉伸性能明顯優(yōu)于Ⅰ型Ti-60合金的。Ⅱ型Ti-60合金拉伸性能能夠達到鑄造 Ti-60合金的水平[15-16]。從Ⅰ型 Ti-60合金的拉伸斷口(圖5(c))可以看出，粉末合金未完全致密化，粉末顆粒之間的結合力較弱，在受到軸向載荷時，顆粒之間發(fā)生脫粘，從而使粉末合金未達屈服點而發(fā)生斷裂。圖 5(d)所示為Ⅱ型 Ti-60粉末合金的室溫拉伸斷口形貌，可以看出，斷口表面并無明顯的孔洞，粉末合金的致密化程度較高；斷口存在剪切唇，表明Ⅱ型Ti-60合金具有一定的室溫塑性。結合圖5(a)和(c)可以判斷出，造成Ⅰ型Ti-6Al-4V和 Ti-60粉末合金拉伸性能降低的原因是粉末在熱等靜壓致密化的過程中，包套發(fā)生了微泄漏。

圖5 Ti-6Al-4V和Ti-60粉末合金的室溫拉伸斷口形貌Fig. 5 Tensile fracture surfaces of P/M Ti-6Al-4V and Ti-60 at room temperature: (a) Ti-6Al-4V from type Ⅰ can; (b) Ti-6Al-4V from type Ⅱ can; (c) Ti-60 from type Ⅰ can; (d) Ti-60 from type Ⅱ can

對Ti-6Al-4V和Ti-60兩種經熱等靜壓成型后的粉末包套體(初判合格)進行典型的固溶時效熱處理，結果發(fā)現：Ⅱ型包套體無異常，而Ⅰ型 Ti-60粉末包套體經熱處理后發(fā)生鼓包現象如圖6所示。該現象說明Ⅰ型 Ti-60粉末包套體中存在氣體，同時也進一步佐證了Ⅰ型 Ti-60粉末包套在熱等靜壓過程中確實發(fā)生了微泄漏。

圖6 Ti-60熱處理后包套膨脹照片Fig. 6 Photos of Ti60 after typical heat treatment

為了判斷包套中封存氣體的種類，分別測試了Ⅰ型Ti-6Al-4V和Ti-60粉末合金的間隙元素和氬含量，測試結果列于表5中。可以看出，Ti-6Al-4V合金的氧含量較高，但 LEE等[17]的研究結果表明，粉末Ti-6Al-4V合金對氧元素的包容能力很強，氧含量在0.2%(質量分數)以下波動并不會對合金的靜力學性能產生顯著的影響；Ti-60合金中氮含量較高，但也屬于合金設計的范圍之內。粉末合金殘存氬含量測試結果表明：Ti-6Al-4V合金的氬含量低于 0.0005%(質量分數)，而 Ti-60合金中氬含量達到了 0.0035%(質量分數)。氬在鈦合金中的固溶度極低，說明氬氣的存在源自包套發(fā)生微泄露；在粉末熱等靜壓致密化過程中，氬氣的存在會降低粉末顆粒之間的結合作用，并在粉末顆粒邊界形成孔洞，影響粉末合金的致密化程度，進而嚴重惡化粉末合金的力學性能。

表5 Ⅰ型粉末合金中的間隙元素及Ar含量Table 5 Interstitial elements and Ar contents in as-HIPped Ti-6Al-4V and Ti-60 alloys (mass fraction, %)

本文作者在研究 Ti-Al系粉末合金致密化行為時也遇到類似的現象。在測試力學性能時發(fā)現同批次樣品性能差異明顯，對樣品進行氣體含量分析，結果顯示H、O和N含量均未見異常。

圖7 TiAl系粉末合金Micro-CT照片Fig. 7 Micro-CT photos of TiAl alloys: (a) Ar content less than 0.0005%; (b) Ar content of 0.02%

拉斷試樣本體的 Micro-CT掃描結果顯示，性能正常的樣品(圖7(a))中，氣孔較少，而性能嚴重下降的樣品(圖 7(b))中，氣孔較多。二次離子質譜儀檢測結果表明，氣孔中封存氣體為氬氣(尚未發(fā)表的工作)，從另一個角度證明了包套確實存在泄露氬氣的現象。

3 結論

1) Ⅰ型包套設計不合理，在熱等靜壓過程中包套體在焊縫位置發(fā)生微泄漏的概率在20%以上；包套發(fā)生微泄漏將顯著降低粉末合金的冶金質量和粉末合金力學性能的穩(wěn)定性。

2) 包套泄漏滲入氬氣將顯著降低粉末合金的致密度，惡化粉末合金的力學性能。

3) 通過焊縫位置有限元模擬，本研究中選用的Ⅱ型包套的設計明顯優(yōu)于Ⅰ型包套的。有限元模擬可輔助包套設計，對制備粉末合金和構件具有一定的工程應用意義。

[1] LEYENS C, PETERS M. 鈦與鈦合金[M]. 陳振華, 等, 譯.北京: 化學工業(yè)出版社, 2005: 1-3.LEYENS C, PETERS M. Titanium and titanium alloy[M].CHEN Zhen-hua, et al, transl. Beijing: Chemical Industry Press,2005: 1-3.

[2] BOYER R R. An overview on the use of titanium in the aerospace industry[J]. Materials Science and Engineering A,1996, 213(1): 103-114.

[3] 鄔 軍. Ti-5Al-2.5Sn ELI預合金粉末熱等靜壓致密化行為研究[D]. 沈陽: 中國科學院, 2011: 7-8.WU Jun. Densification behavior of Ti-5Al-2.5Sn ELI pre-alloyed powders under hot isostatic pressing[D]. Shenyang:Chinese Academy of Sciences, 2011: 7-8.

[4] 李少強, 劉建榮, 閆 偉, 李玉蘭, 楊 銳. 高溫鈦合金Ti-60粉末的制備和表征[J]. 材料研究學報, 2010, 24(1): 10-16.LI Shao-qiang, LIU Jian-rong, WANG Qing-jiang, LI Yu-lan,YANG Rui. Preparation and characterization of high temperature titanium alloy Ti-60 powder[J]. Chinese Journal of Materials Research, 2010, 24(1): 10-16.

[5] 李月珠. 快速凝固技術和材料[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社,1991: 6-8.LI Yue-zhu. Rapid solidification technology and materials[M].Beijing: National Defense Industry Press, 1991: 6-8.

[6] WANG Liang, LANG Ze-bao, SHI Hong-pei. Properties and forming process of prealloyed powder metallurgy Ti-6Al-4V alloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2007, 17: 639-643.

[7] FROES F H, MASHL S J. The technologies of titanium powder metallurgy [J]. JOM, 2004, 56(11): 46-48.

[8] ZHANG K, MEI J, WAIN N, WU X. Effect of hot-isostatic-pressing parameters on the microstructure and properties of powder Ti-6Al-4V hot-isostatically-pressed samples[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2010, 41:1033-1045.

[9] YUAN W X, MEI J, ARMROV V, SELIVERSTOV D, WU X.Computer modeling and tooling design for near net shaped components using hot isostatic pressing[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2007, 182: 39-49.

[10] SANCHEZ L, OUEDRAOGO E, DELLI C, FEDERZONI L.Influence of container on numerical simulation of hot isostatic pressing: Final shape profile comparison[J]. Powder Metallurgy,2004, 47(3): 253-260.

[11] 鄔 軍, 徐 磊, 雷家峰, 劉羽寅. 粉末冶金 TA7 ELI 合金的制備及其界面反應層[J]. 中國有色金屬學報, 2010, 20(1):299-302.WU Jun, XU Lei, LEI Jia-feng, LIU Yu-yin. Preparation of powder metallurgy TA7 ELI alloy and its interface reaction layer[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010, 20(1):299-302.

[12] 程文祥, 徐 磊, 雷家峰, 劉羽寅, 楊 銳. 粉末粒度偏析對Ti-5Al-2.5Sn ELI 粉末合金拉伸性能的影響[J]. 中國有色金屬學報, 2013, 23(2): 362-369.CHENG Wen-xiang, XU Lei, LEI Jia-feng, LIU Yu-yin, YANG Rui. Effects of powder size segregation on tensile properties of Ti-5Al-2.5Sn ELI alloy powder[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2013, 23(2): 362-369.

[13] EISEN W B, FERGUSON B L, GERMAN R M, IACOCCA R,LEE P W, MADAN D, MOYER K, SANDEROW H, TRUDEL Y. ASM Handbook Vol.7: Powder Metal Technologies and Applications[M]. Novelty: ASM International, 1998: 609-615.

[14] 程文祥. Ti-5Al-2.5Sn ELI 預合金粉末熱等靜壓致密化行為與有限元模擬研究[D]. 沈陽: 中國科學院大學, 2013: 70-75.CHENG Wen-xiang. Densification behavior and FEM simulation of Ti-5Al-2.5Sn ELI pre-alloyed powders under hot isostatic pressing[D]. Shenyang: University of Chinese Academy of Sciences, 2013: 70-75.

[15] 王寶善, 賈蔚菊, 渠維猛, 俞漢清, 周義剛, 曾衛(wèi)東, 王青江.鍛造工藝對Ti60合金棒材組織和性能的影響[J]. 鈦合金進展,2011, 28(1): 8-11.WANG Bao-shan, JIA Wei-ju, QU Wei-meng, YU Han-qing,ZHOU Yi-gang, ZENG Wei-dong, WANG Qing-jiang. Influence of forging processes on microstructure and mechanical properties of Ti60 alloy[J]. Titanium Industry Progress, 2011, 28(1): 8-11.

[16] 魏壽庸, 石衛(wèi)民, 王鼎春, 王清江, 陳志勇, 劉建榮. 600 ℃時高溫鈦合金(Ti60)的組織與力學性能[J]. 中國有色金屬學報, 2010, 20(1): 801-806.WEI Shou-yong, SHI Wei-min, WANG Ding-chun, WANG Qing-jiang, CHEN Zhi-yong, LIU Jian-rong. Microstructure and mechanical properties of high temperature titannium alloy Ti60 at 600 ℃[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010,20(1): 801-806.

[17] LEE Y T, SCHURMANN H, GRUNDHOFF K J, PETERS M.Effect of degassing treatment on microstructure and mechanical properties of P/M Ti-6Al-4V[J]. International Journal of Powder Metallurgy, 1990, 22(1): 11-16.