粉末冶金Ti-22Al-25Nb合金的放電等離子燒結(jié)工藝數(shù)值模擬與實驗研究

賈建波 劉文超 劉海亮 鹿 超 徐 巖，2楊 越駱俊廷

1.燕山大學先進鍛壓成形技術(shù)與科學教育部重點實驗室，秦皇島，066004

2.燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，秦皇島，066004

0 引言

新型金屬間化合物Ti2AlNb是一種可在600～800℃溫度范圍內(nèi)長期服役的輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料，該材料因其良好的綜合特性，成為航空航天發(fā)動機制選中的首選材料之一［1-3］。Ti-22Al-25Nb合金是典型的第二代有序正交O相合金，具有密度小、熔點高、比強度高、成形性好以及良好的抗蠕變和抗氧化性能等優(yōu)點，成為國內(nèi)外學者的重點研究對象［4-5］。相對于其他工藝［6-8］，放電等離子燒結(jié)工藝［9-11］（spark plasma sintering，SPS）是一種新型快速燒結(jié)技術(shù)，它結(jié)合了等離子活化技術(shù)與熱壓燒結(jié)技術(shù)，具有升溫速度快、燒結(jié)時間短以及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，能夠有效抑制晶粒長大，所得的燒結(jié)合金致密度高、成分均勻、晶粒細小、力學性能好。目前，國內(nèi)外一些學者已通過粉末冶金方法成功制備了 Ti2AlNb 基合金［12-13］。SIM等［12］以Ti、Al、Nb粉末為原料，采用機械合金化法結(jié)合SPS工藝，成功制備了致密的Ti-22Al-25Nb合金，并發(fā)現(xiàn)1 200℃/35 MPa/10 min條件下燒結(jié)的合金具有最優(yōu)的壓縮綜合力學性能，壓縮屈服強度和壓縮延伸率分別為1 652 MPa和32.2%。ZHANG等［13］采用粉末冶金熱壓燒結(jié)工藝在1 050℃/35 MPa/1 h燒結(jié)條件下制得了致密的Ti-22Al-25Nb合金，并對Ti-22Al-25Nb合金進行了熱等溫壓縮試驗，對其熱變形行為進行了研究。在SPS制備Ti2AlNb基合金的致密化過程中，燒結(jié)溫度、保溫時間和燒結(jié)壓力對粉末致密化、顯微組織形貌和力學性能具有十分重要的影響。而目前關于預合金粉末SPS燒結(jié)工藝制備Ti-22Al-25Nb合金的有限元數(shù)值模擬和實驗研究十分少見，燒結(jié)溫度、保溫時間和燒結(jié)壓力對粉末致密化、顯微組織形貌和力學性能的影響規(guī)律還缺乏系統(tǒng)研究。基于此，本文采用SPS工藝制備了組織致密的Ti-22Al-25Nb合金，運用MSC.Marc有限元軟件，對粉末致密化過程進行了數(shù)值模擬，得到了粉末相對密度隨燒結(jié)溫度、保溫時間和燒結(jié)壓力的變化規(guī)律，分析了燒結(jié)合金相對密度的分布規(guī)律。結(jié)合系列燒結(jié)實驗，研究了燒結(jié)溫度、保溫時間和燒結(jié)壓力對燒結(jié)合金的相對密度、顯微組織和力學性能的影響，揭示了合金的斷裂機制。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗初始材料為Ti-22Al-25Nb預合金粉末。對預合金粉末進行顯微觀察，其SEM圖像見圖1。由圖1可知，Ti-22Al-25Nb預合金粉末為球形顆粒，多為枝晶形貌，同時存在少量光滑球狀粉末。

1.2 實驗方法

燒結(jié)實驗設備為SPS-3.20MK-IV型放電等離子燒結(jié)爐，溫升速率為100℃/min，實驗模具采用高強度石墨模具。燒結(jié)溫度分別為950℃、1 050℃、1 100℃和1 200℃，燒結(jié)壓力為50 MPa，保溫時間為10 min和20 min。燒結(jié)合金密度采用阿基米德排水法進行測量。室溫拉伸試驗在空氣中進行，設備為Inspekt Table-100 kN電子萬能材料試驗機，拉伸速率為0.13 mm/min，拉伸試樣尺寸為1.2 mm×2 mm×8.5 mm。

圖1 Ti-22Al-25Nb預合金粉末的SEM圖片F(xiàn)ig.1 SEM images of the as-atomized powder surface for Ti-22Al-25Nb alloys

2 放電等離子燒結(jié)工藝熱電耦合分析

2.1 有限元數(shù)值模擬

采用MSC.Marc軟件對Ti-22Al-25Nb預合金粉末的SPS工藝進行數(shù)值模擬，建立SPS燒結(jié)工藝的二維平面軸對稱有限元模型，如圖2所示。燒結(jié)材料的半徑為10 mm。采用4節(jié)點四邊形平面單元自由網(wǎng)格劃分，選用powder粉末模塊，Shima屈服準則。

圖2 放電等離子燒結(jié)有限元模型Fig.2 Spark plasma sintering finite element model

針對熱電力結(jié)構(gòu)耦合，初始溫度設為27℃，在上墊塊上表面添加電壓曲線，對上墊塊與上壓頭添加位移曲線。設置粉末的初始相對密度為0.7，并添加到粉末的節(jié)點上。圖3所示為電壓場和位移場的邊界條件（以950℃/50 MPa/10 min為例）。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 燒結(jié)溫度對Ti-22Al-25Nb合金相對密度的影響

圖3 950℃/50 MPa/10 min條件下燒結(jié)工藝Fig.3 Sintering process at 950℃/50 MPa/10 min

放電等離子燒結(jié)合金的致密化與原子的擴散速度有關，溫度越高，原子擴散速度越快，燒結(jié)頸長大速度也越快，孔隙逐漸收縮，燒結(jié)合金致密度越高。在燒結(jié)壓力為50 MPa和保溫時間為10 min條件下，研究燒結(jié)溫度對燒結(jié)合金相對密度的影響，燒結(jié)溫度分別選取為950℃、1 050℃、1 100℃和1 200℃，則模擬結(jié)果如圖4所示。由圖4a可知，950℃溫度下燒結(jié)合金相對密度的整體表現(xiàn)為上端大下端小。從軸向（x方向）來看，靠近上壓頭的位置相對密度大于燒結(jié)合金心部的相對密度。最大的相對密度發(fā)生在燒結(jié)坯料與上壓頭接觸區(qū)域，其數(shù)值為0.952 1，相對密度分布均勻。由圖4b～圖4d分布云圖可發(fā)現(xiàn)，隨著燒結(jié)溫度的升高，燒結(jié)合金相對密度的分布規(guī)律與圖4a相似，且數(shù)值隨著燒結(jié)溫度的升高而明顯增大。造成這種現(xiàn)象的主要原因是：在SPS過程中熱量的傳遞主要依靠壓頭與墊塊、壓頭與燒結(jié)坯料之間的熱量傳遞，粉末材料在燒結(jié)前進行了預壓，造成了下底部粉末致密，頂部粉末與上壓頭的接觸電阻較底部粉末與下壓頭的變化大，在軸向壓力的加載下，上墊塊與上壓頭整體向下移動，產(chǎn)生的熱量位于上墊塊與上壓頭接觸處，隨著燒結(jié)時間的延長，熱量逐漸向燒結(jié)坯料流動（但最高溫度依然處于上壓頭附近），原子擴散速度加快，致密度高。圖4b～圖4d的最大相對密度分別增至0.980 7、0.988 7和0.997 4。燒結(jié)合金各個區(qū)域的相對密度分布比較均勻，其數(shù)值差別很小。為了研究燒結(jié)溫度和保溫時間對燒結(jié)合金相對密度的影響規(guī)律，選取燒結(jié)坯料與上壓頭接觸區(qū)域的中心位置（節(jié)點454）作為研究對象。

圖4 不同燒結(jié)溫度下燒結(jié)合金相對密度的分布云圖Fig.4 Distribution of sintered alloy relative density at different sintering temperatures

圖5 為節(jié)點454不同燒結(jié)溫度下的相對密度變化曲線。由圖5知，隨著燒結(jié)時間的延長，相對密度隨之增大，且相對密度的增大速率呈現(xiàn)慢—快—慢的趨勢。隨著溫度的升高，粉末的相對密度也隨之增大。當燒結(jié)溫度為950℃時，燒結(jié)合金的相對密度為0.952 1；燒結(jié)溫度為1 050℃時，燒結(jié)合金的相對密度為0.980 7，相比950℃下的相對密度值增大了2.86%；當溫度升至1 200℃時，燒結(jié)合金的相對密度為0.997 4，接近完全致密。

圖5 不同燒結(jié)溫度下節(jié)點454的相對密度隨增量步的變化曲線Fig.5 Curve variation of relative density of node 454 with increment at different sintering temperature

2.2.2 保溫時間對Ti-22Al-25Nb合金相對密度的影響

在SPS過程中，隨著燒結(jié)時間的延長，燒結(jié)頸大量形成，燒結(jié)坯體致密度增大。保持燒結(jié)壓力和燒結(jié)溫度不變，延長保溫時間，則給粉末之間的均勻擴散提供了足夠的時間，原子分布也會越來越均勻。圖6為燒結(jié)壓力為50 MPa，燒結(jié)溫度為950，1 050，1 100，1 200℃，保溫時間為20 min條件下的相對密度云圖。由圖6a可以發(fā)現(xiàn)，沿軸向（x方向），相對密度大的區(qū)域主要集中在上壓頭附近，其最大值為0.961 7，燒結(jié)合金底部相對密度最小，為0.960 5。從圖6b～圖6d可以發(fā)現(xiàn)，隨著燒結(jié)溫度的升高，燒結(jié)坯料的最大相對密度也隨之增大，燒結(jié)坯料逐漸接近致密狀態(tài)，相對密度值分別為0.981 9、0.990 7、0.999 95。圖7為不同保溫時間下節(jié)點454的相對密度隨增量步的變化曲線圖。保溫時間由10 min增至20 min，圖6a～圖6d中燒結(jié)坯料最大相對密度值分別增大了0.96%、0.12%、0.20%、0.26%。由圖7可以明顯發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)壓力與燒結(jié)溫度不變，延長保溫時間，燒結(jié)坯料的相對密度前期增大迅速，后期增大緩慢。在1 200℃/50 MPa/20 min條件下，粉末的相對密度最大，達到0.999 95，接近完全致密。

圖6 保溫時間為20 min條件下燒結(jié)合金相對密度分布云圖Fig.6 Distribution of sintered alloy relative density at holding time is 20 min

圖7 保溫時間為20 min條件下節(jié)點454的相對密度隨增量步的曲線變化Fig.7 Curve variation of relative density of node 454 with increment at holding time is 20 min

2.2.3 燒結(jié)壓力對Ti-22Al-25Nb合金相對密度的影響

圖8為燒結(jié)溫度為950℃、保溫時間為10 min時不同燒結(jié)壓力下燒結(jié)合金相對密度云圖。由圖8a觀察可得，靠近上壓頭處的相對密度大于下壓頭處的相對密度，最大相對密度位于上壓頭附近，其值為0.886 8。由圖8b～圖8c可知，隨著燒結(jié)壓力增大，燒結(jié)合金的相對密度隨之增大，燒結(jié)合金相對密度分布更加均勻，逐漸接近致密狀態(tài)，其相對密度值分別為0.952 1、0.970 1。

圖8 不同燒結(jié)壓力下燒結(jié)合金相對密度的分布云圖Fig.8 Distribution of sintered alloy relative density at different holding time

圖9 為不同燒結(jié)壓力下節(jié)點454的相對密度隨增量步的變化曲線圖。由圖9可知，保持燒結(jié)溫度與保溫時間不變，燒結(jié)壓力由35 MPa增大至50 MPa時，燒結(jié)合金的相對密度增大了6.53%，當燒結(jié)壓力為80 MPa時，燒結(jié)合金的相對密度增大了1.8%，達到最大值0.970 1。

圖9 不同燒結(jié)壓力下節(jié)點454的相對密度隨增量步的曲線變化Fig.9 Curve variation of relative density of node 454 with increment at different sintering pressure

3 實驗

根據(jù)SPS數(shù)值模擬結(jié)果，選取燒結(jié)壓力為50 MPa，燒結(jié)溫度為950～1 200℃，保溫時間為10 min和20 min，進行了系列SPS燒結(jié)實驗。測得燒結(jié)合金密度并與模擬結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，隨著燒結(jié)溫度的升高，燒結(jié)合金相對密度隨之增大。在燒結(jié)壓力為50 MPa，燒結(jié)溫度為950～1 200℃，保溫10 min條件下，相對密度數(shù)據(jù)與模擬相對密度數(shù)據(jù)相對比，分別相差3.6%、1.17%、0.51%、0.03%；保溫20 min相對密度數(shù)據(jù)與模擬相對密度數(shù)據(jù)相對比，分別相差3.16%、1.43%、0.75%、0.001%。

圖10 燒結(jié)合金相對密度實驗結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)對比Fig.10 Comparison of experimental results of relative density of sintered alloy with simulated data

圖11 為不同燒結(jié)溫度下獲得的燒結(jié)合金的顯微組織。從圖11a可知，950℃燒結(jié)合金的顯微組織由B2相等軸晶以及晶內(nèi)的顆粒狀O相構(gòu)成。由圖11b～圖11d可觀察到，隨著燒結(jié)溫度升高，燒結(jié)合金的晶粒尺寸發(fā)生長大，晶粒內(nèi)O相顆粒狀數(shù)量增加。當燒結(jié)溫度由1 100℃升高至1 200℃，B2相晶粒顯著粗大化，晶粒內(nèi)部的O相顆粒數(shù)量也大幅增加，O相顆粒的尺寸顯著下降。圖12為950℃/50 MPa/10 min和 1 200℃/50 MPa/10 min條件下SPS燒結(jié)Ti-22Al-25Nb合金的XRD圖譜。由圖11和圖12可知，950℃/50 MPa/10 min和1 200℃/50 MPa/10 min條件下的SPS燒結(jié)合金主要由B2+O兩相組成，同時含有少量的脆性相α2，當燒結(jié)溫度由950℃升高至1 200℃時，Ti-22Al-25Nb燒結(jié)合金O相數(shù)量增多。對燒結(jié)合金進行室溫拉伸試驗，力學性能數(shù)據(jù)見表1。由表1可知，950℃/50 MPa/10 min燒結(jié)合金室溫屈服強度和延伸率最大，分別為691.04 MPa和8.14%。隨著燒結(jié)溫度的升高，燒結(jié)合金的延伸率減小。

圖11 50 MPa/10 min不同燒結(jié)溫度下獲得的燒結(jié)合金的金相圖片F(xiàn)ig.11 SEM images of SPS’ed materials sintered at various temperatures

圖13 為SPS燒結(jié)Ti-22Al-25Nb合金的室溫拉伸斷口的SEM照片。由圖13a觀察可知，在950℃/50 MPa/10 min燒結(jié)合金斷面處可以觀察到少量孔洞的存在，在孔洞的周圍分布著大量較淺的韌窩，此外，在斷面處還存在著一定數(shù)量的解理面。圖13b中也存在著與圖13a類似的現(xiàn)象，因此，950℃和1 050℃燒結(jié)合金的斷裂機制為脆性斷裂和延性斷裂的混合斷裂機制。與950℃和1 050℃燒結(jié)合金相對比，1 100℃燒結(jié)合金的斷面處分布著大面積的解理面，光滑且平坦，在解理面內(nèi)可以清晰地觀察到典型的河流狀花樣（圖13c），表明1 100℃燒結(jié)合金的斷裂機制主要為脆性斷裂。在1 200℃燒結(jié)合金的斷面處也存在著較多的解理面，韌窩數(shù)量較少，在晶界處還存在較大的裂紋，表現(xiàn)為沿晶斷裂，表明1 200℃燒結(jié)合金的斷裂主要以脆性斷裂為主。

圖12 不同條件下燒結(jié)Ti-22Al-25Nb合金的XRD圖譜Fig.12 XRD patterns of SPS’ed materials sintered at different conditions

表1 室溫下Ti-22Al-25Nb合金的拉伸性能Tab.1 Tensile properties of Ti-22Al-25Nb alloys at room temperature

4 結(jié)論

（1）Ti-22Al-25Nb合金相對密度的最大值位于燒結(jié)合金與上壓頭的接觸區(qū)域，心部的相對密度最小。

（2）在50 MPa/10 min條件下，燒結(jié)溫度由950℃升至1 200℃，燒結(jié)合金相對密度的模擬值由0.952 1增至0.997 4，實驗值由0.988 1增至0.997 7；50 MPa/20 min條件下，950℃、1 050℃、1 100℃和1 200℃溫度下的燒結(jié)合金相對密度模擬值分別增大0.96%、0.12%、0.20%、0.26%，其中1 200℃時的燒結(jié)合金相對密度達到最大，模擬值為0.999 95，實驗值為0.999 96；在950℃/10 min條件下，燒結(jié)壓力由35 MPa增至80 MPa，燒結(jié)合金的相對密度模擬值由0.886 8增至0.970 1。

（3）950℃/50 MPa/10 min燒結(jié)合金具有更優(yōu)的綜合力學性能，室溫下，其屈服強度和延伸率分別為691.04 MPa、8.14%。950℃與1 050℃下燒結(jié)合金的斷裂機制為脆性斷裂和延性斷裂的混合斷裂機制，1 100℃與1 200℃燒結(jié)合金的斷裂機制主要以脆性斷裂為主。

圖13 燒結(jié)Ti-22Al-25Nb合金室溫拉伸斷口形貌Fig.13 Room-temperature tensile fractographs for sintered materials