燒結(jié)溫度對Micro-FAST制備TC4鈦合金的影響

吳秀麗，楊 屹，楊 剛，黃坤蘭，韋 遼，吳明霞

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燒結(jié)溫度對Micro-FAST制備TC4鈦合金的影響

吳秀麗，楊 屹，楊 剛，黃坤蘭，韋 遼，吳明霞

(四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065)

采用多物理場活化燒結(jié)微成形技術(shù)(Micro-FAST)快速制備TC4微型圓柱，研究燒結(jié)溫度對TC4微型圓柱的致密化過程及力學性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，Micro-FAST技術(shù)可在5 min內(nèi)實現(xiàn)TC4的快速成形，在900~1200 ℃的燒結(jié)溫度區(qū)間均可獲得相對密度大于97%的微型圓柱件，其顯微組織由條狀相和相組成，組織分布均勻、晶粒細小。當燒結(jié)溫度為1000 ℃時，硬度達到最大值380.3HV0.5，較傳統(tǒng)方法制備的TC4零件硬度提高10%。隨著燒結(jié)溫度的提高，燒結(jié)體中出現(xiàn)魏氏組織，合金的韌性逐漸降低。

Micro-FAST；TC4；燒結(jié)溫度；顯微組織；力學性能

鈦合金以其低密度、高比強度、優(yōu)異的耐腐蝕性、良好的生物相容性以及熱穩(wěn)定性等廣泛應用于航空航天、汽車、船舶、化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域[1?4]。TC4作為(+)鈦合金中最常用、最典型的材料，是鈦合金中用量最大的合金，其年消耗量占鈦合金總用量的50%以上[5]。

采用傳統(tǒng)鑄造方法制備的鈦合金顯微組織粗大，且存在成分偏析、制備成本高[6]。而具有組織細小均勻、成分可控、近凈成形等眾多優(yōu)點的粉末冶金技術(shù)能夠有效降低成本、提高成材率，是制造低成本鈦合金的理想工藝之一[7]。目前，獲得鈦合金塊體材料的粉末冶金方法主要包括混合元素法、熱壓法、熱等靜壓法、金屬注射成型法、放電等離子燒結(jié)法、多物理場活化燒結(jié)微成形技術(shù)(Micro-FAST)等[8]。

多物理場活化燒結(jié)微成形技術(shù)(即Micro-FAST)是近年來本課題組發(fā)展起來的一種新型燒結(jié)技術(shù)，其實質(zhì)是采用低電壓(約3~10 V)、大電流(數(shù)萬安培)的交流電通過模具及粉末，使粉末體系在電場、溫度場、力場三場耦合的作用下快速均勻升溫，通過焦耳熱效應和電熱聚焦，實現(xiàn)微型零件的快速制備[9?10]。Micro-FAST燒結(jié)過程中，升溫速率快、燒結(jié)時間短、燒結(jié)溫度低，可獲得相對致密度較高、力學性能良好的微型零件，并可實現(xiàn)金屬、硬質(zhì)合金等材料的快速成形[11?12]。同時，燒結(jié)過程中無需添加燒結(jié)助劑，可以有效保證燒結(jié)產(chǎn)物的純凈以及原料的回收。

本文作者鑒于Micro-FAST在微型零件制備中的獨特優(yōu)勢，故將Micro-FAST引入到TC4鈦合金微型圓柱零件的制備中，以實現(xiàn)TC4粉末在熔點溫度(1660 ℃)以下的低溫快速燒結(jié)，并研究了燒結(jié)溫度對TC4鈦合金致密化過程及力學性能的影響。

1 實驗

實驗采用粒度為20~45 μm、純度大于99%的Ti6Al4V粉末，粉末的化學成分為C 0.02%、O 0.15%、N 0.01%、Fe 0.20%、Al 6.00%、V 4.5%、Ti余量。TC4粉末的形貌如圖1所示。

圖1 TC4粉末的SEM像

實驗設(shè)備為Gleeble?1500D熱模擬機，該設(shè)備由計算機控制系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、加力系統(tǒng)三部分組成，其最大升溫速度可達10000 ℃/s，最大采樣頻率為 50 kHz，采集試樣的溫度可精確到0.01 ℃。粉末試樣在Gleeble?1500D熱模擬機中燒結(jié)時，上萬安培的電流流過粉末顆粒，粉末體系自身產(chǎn)生大量焦耳熱，并通過電流控制試樣加熱的溫度變化。同時，電流作用于石墨模具產(chǎn)生大量焦耳熱，模具將熱量傳遞給粉末體系，進一步對粉末體系進行加熱。圖2所示為Micro-FAST燒結(jié)裝置的示意圖。

圖2 燒結(jié)示意圖

實驗時，將稱量好的TC4粉末松裝置于內(nèi)徑為8 mm的石墨模具中，然后將模具置于Gleeble?1500D熱模擬機的不銹鋼燒結(jié)反應室，由夾具沿模具軸向方向夾持。當真空度升至1×10?3Pa時，粉末在75 MPa的壓力下以30 ℃/s的升溫速度加熱至不同的燒結(jié)溫度(900~1200 ℃)，并保溫4 min。燒結(jié)完成后斷電空冷，待試樣冷至室溫時，取出燒結(jié)體，得到直徑為8 mm，高度為8 mm的微型圓柱零件。實驗的工藝參數(shù)如表1所示。

實驗過程中，利用熱電偶采集溫度，試樣溫度和軸向位移變化的采集頻率均為5 Hz，采集后的數(shù)據(jù)用Origin軟件進行處理。燒結(jié)試樣取出后，采用阿基米德排水法測量試樣的密度，采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣的微觀組織，采用HVT?1000型多功能顯微維氏硬度計測量試樣的硬度。

表1 實驗工藝參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 Micro-FAST制備TC4鈦合金的收縮致密化特征

圖3所示為TC4微型零件致密化過程中的溫度?時間?軸向位移收縮曲線。根據(jù)試樣致密化過程的軸向位移變化，整個燒結(jié)過程可以分為兩個階段，即快速升溫階段Ⅰ和燒結(jié)保溫階段Ⅱ。

快速升溫階段：由圖3(a)可見，從室溫快速升溫至燒結(jié)溫度900 ℃的過程中，試樣發(fā)生了明顯的軸向收縮。在這一階段，由于電場和力場的作用特別是力場的作用，使松散的粉末之間的空隙減小，顆粒實現(xiàn)物理接觸，大量的氣體隨著粉末的壓實而逐漸排出[13]，試樣產(chǎn)生劇烈收縮，大電流通過燒結(jié)體并促進了試樣的收縮致密化進程，顆粒之間由于大電流的作用而產(chǎn)生大量的焦耳熱。伴隨著力場、電場及熱場的共同作用，顆粒間發(fā)生塑性變形和相對滑移，進一步填充孔隙。同時，在大電流作用下由于粉末顆粒中的電熱聚焦效應，使得粉末顆粒表面發(fā)生熔化，產(chǎn)生微區(qū)液相[14]，顆粒之間形成冶金結(jié)合，因而快速促進燒結(jié)試樣的軸向收縮致密化。

燒結(jié)保溫階段：從圖3(a)中可以看出，試樣在 900 ℃保溫4 min時，在此階段試樣的軸向減少量趨于穩(wěn)定。在電場、溫度場和力場的共同作用下，顆粒間形成的微區(qū)液相向顆粒間的殘余空隙中填充，在一定程度上促進了燒結(jié)體的致密化。但從試樣的軸向收縮曲線來看，這一階段對試樣致密化的促進作用較小。由TC4微型圓柱的軸向減少量與時間曲線可以看出(見圖3)，燒結(jié)溫度對試樣的軸向收縮量影響較小。

2.2 燒結(jié)溫度對Micro-FAST制備TC4微型圓柱顯微組織的影響

圖4所示為不同燒結(jié)溫度下的TC4合金的金相組織。在晶粒大小方面，從圖4(a)中可以看出，在燒結(jié)溫度為900 ℃時，燒結(jié)體中粉末顆粒的界面仍清晰可見，晶粒未明顯長大。當燒結(jié)溫度為1000 ℃時(見圖4(b))，此時粉末顆粒的界面消失，晶粒長大。隨著燒結(jié)溫度升高到 1100 ℃及1200 ℃時(見圖4(c)和(d))，顆粒界面完全消失，晶粒尺寸明顯增大。這是由于在燒結(jié)過程中，粉末顆粒界面區(qū)域存在較高的局部溫度，因此更容易發(fā)生局部的再結(jié)晶和晶粒長大[15]。在顯微組織方面，從圖4(a)可以看出，在燒結(jié)溫度為900 ℃時，合金的顯微組織主要由一些初生相和轉(zhuǎn)變組織構(gòu)成。相的分布形式有兩種：一是以等軸狀的形式分布在顆粒表面，二是以較長的條狀或細針狀分布在轉(zhuǎn)變組織間。其原因是由于燒結(jié)過程中，在電 場、力場、溫度場的共同作用下，粉末顆粒間產(chǎn)生塑性變形，從而導致粉末顆粒表面晶粒細化產(chǎn)生等軸組織，而顆粒內(nèi)部由于塑性變形有限，仍然保持原來的條狀或細針狀組織。當燒結(jié)溫度為1000 ℃時，顯微組織發(fā)生變化，如圖4(b)所示，原始晶界完整，晶粒比較粗大，呈現(xiàn)出明顯的魏氏組織。在燒結(jié)溫度為1100 ℃及1200 ℃時，試樣的顯微組織仍有魏氏組織存在。

圖3 TC4微型圓柱的溫度?時間曲線及軸向減少量?時間曲線

圖4 不同燒結(jié)溫度下TC4鈦合金的金相組織圖

圖5所示為不同燒結(jié)溫度下TC4合金的SEM像。從圖5(a)可以看出，顯微組織中層狀結(jié)構(gòu)較多，相取向較為整齊。當燒結(jié)溫度為1000 ℃時，顯微組織發(fā)生變化；從圖5(b)可以看出，晶內(nèi)的層狀相按一定位向排列，即得所謂的魏氏組織。產(chǎn)生這種組織的主要原因是燒結(jié)過程中在高于相變溫度加熱時，(+)相將完全轉(zhuǎn)變成為相，但是在冷卻時，當溫度降低至相轉(zhuǎn)變溫度以下，首先在晶界上形核，然后以層片狀長大進入晶粒內(nèi)，相分解或者部分轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袟l狀組織的相。當燒結(jié)溫度為1100 ℃時，合金的組織仍然有魏氏組織，晶粒被拉長并壓扁；從圖5(c)中可以看出，片層狀相按不同的位向析出并交叉平行排列；從圖5(d)可以看出，在燒結(jié)溫度為1200 ℃時，晶界輪廓變得不完整，條狀相發(fā)生不同程度的歪扭，改變了原來的規(guī)則位向和平行排列。這是由于在大電流、力場、溫度場的共同作用下，顆粒發(fā)生了較大的塑性變形。

2.3 燒結(jié)溫度對Micro-FAST制備TC4微型圓柱力學性能的影響

表2所列為合金在不同燒結(jié)溫度時的相對密度。由表2可見，當升溫速率為30 ℃/s、燒結(jié)溫度在900~1200 ℃的范圍時，試樣的相對密度均達到97%以上。其中，在1000 ℃燒結(jié)后燒結(jié)體獲得了最大的相對密度97.93%。然而在一定壓力下，在900~1200 ℃的溫度范圍內(nèi)，溫度對致密度的影響不大。

圖6所示為不同燒結(jié)溫度下TC4合金的硬度曲線。由圖6可以看出，隨著燒結(jié)溫度的提高，合金的硬度先升高后降低，并在燒結(jié)溫度為1000 ℃時達到硬度最大值380.3HV0.5，而在1100 ℃和1200 ℃燒結(jié)后試樣的硬度幾乎相當。燒結(jié)溫度從1000 ℃提高到1100 ℃和1200 ℃后，燒結(jié)試樣顯微組織中的等軸組織變?yōu)槲菏辖M織，硬度大幅度降低。

上述實驗結(jié)果表明，在一定溫度范圍內(nèi)，利用Micro-FAST技術(shù)提高了TC4合金的硬度，其較標準維氏硬度349(AMS4928)提高了近10%[16]。

圖5 不同燒結(jié)溫度下TC4鈦合金的SEM像

表2 不同燒結(jié)溫度下TC4合金的相對密度

圖7所示為TC4鈦合金的斷口形貌。由圖7可見，燒結(jié)體斷口均有韌窩的出現(xiàn)，斷裂方式屬于韌性斷裂。在燒結(jié)溫度較低時，有少量粉末顆粒未燒結(jié)完全，部分燒結(jié)頸連接不緊密，在較高燒結(jié)溫度時試樣中的韌窩增多，分布更為均勻，韌性更好。

Micro-FAST在制備微型TC4圓柱的過程中施加了一個大的交流電，電流的施加為快速致密化進程提供了主要的熱源。電流大小與升溫速率之間具有一定的比例關(guān)系，即[17]：

快速燒結(jié)過程中提供大電流的另一作用是產(chǎn)生溫度場，快速地升溫能夠減少粉末體系達到燒結(jié)溫度的時間，從而抑制了晶粒在低溫階段的粗大化[16]。除此之外，快速的升溫速率可能導致金屬粉末燒結(jié)過程中顆粒間存在一個較大的溫度梯度，即在顆粒間出現(xiàn)局部高溫，這樣將促使高溫下粉末體積擴散的進行，有利于粉末燒結(jié)的進行。

圖6 不同燒結(jié)溫度下TC4合金的維氏硬度

圖7 不同燒結(jié)溫度下的TC4鈦合金斷口形貌

在Micro-FAST燒結(jié)的整個過程中施加恒定的75MPa壓力，由式(2)可以看出燒結(jié)過程中壓力與溫度的相互作用關(guān)系[18]：

在低溫燒結(jié)階段，顆粒間原子的擴散主要是通過表面擴散，在極短的時間內(nèi)物質(zhì)遷移作用不明顯，壓力將起主導作用促進顆粒間的接觸，縮短顆粒中心的距離。在高溫階段，壓力的作用主要是促進塑性變形的進行，在高溫下材料的屈服強度降低，壓力可作為驅(qū)動力促進塑性流動的進行[19?20]。

多物理場活化燒結(jié)TC4粉末的過程中，隨著燒結(jié)體溫度的逐漸升高，燒結(jié)體中的粉末顆粒將由前期較為松散的接觸狀態(tài)逐漸產(chǎn)生彈塑性變形，接觸區(qū)域因焦耳熱的作用將發(fā)生熱能沉積，使得孔隙周圍的顆粒發(fā)生軟化或熔融。在力場的作用下，軟化的顆粒會繼續(xù)變形和填充孔隙，孔隙將以塑性變形的形式逐漸縮小并發(fā)生閉合，并最終形成閉合的孤立孔洞。

3 結(jié)論

1) 采用多物理場活化燒結(jié)微成形技術(shù)(Micro-FAST)，成功制備了晶粒小、組織均勻的TC4鈦合金微型圓柱。在燒結(jié)溫度為1000 ℃時，其最大相對密度為97.98%，最大硬度為380.3HV0.5，實現(xiàn)了高質(zhì)量微型零件的快速制備。

2) 利用多物理場活化微成形技術(shù)制備的TC4合金，其顯微組織主要由長條狀相及相組成。隨著燒結(jié)溫度的升高，組織中出現(xiàn)了魏氏組織，說明燒結(jié)溫度對試樣的顯微組織影響較大。

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Effects of sintering temperature on preparation of TC4 titanium alloy during Micro-FAST

WU Xiu-li, YANG Yi, YANG Gang, HUANG Kun-lan, WEI Liao, WU Ming-xia

(School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

The rapid preparation of TC4 micro-cylinder was realized by micro-forming fields activated sintering technology (Micro-FAST). The effect of sintering temperature on the densification process and mechanical properties of TC4 micro cylinders was studied. The results show that Micro-FAST can realize the rapid forming of TC4 micro cylinder parts with relative density greater than 97% at the sintering temperatures of 900?1200℃ in 5 min. The microstructure is composed of stripphase andphase with the uniform distribution of the organization and fine grain. The TC4 alloy prepared by Micro-FAST has a maximum hardness of 380.3HV0.5at the sintering temperature of 1000 ℃, which is 10% higher than that of TC4 parts prepared by traditional method. With increasing in sintering temperature, the sample is observed to appear the Widmanststten structure, the toughness of the alloy gradually reduces.

micro-FAST; TC4; sintering temperature; microstructure; mechanical property

Projects(51675357, 51705348) supported by the National Natural Science Foundation of China

2017-10-16;

2018-06-28

YANG Gang; Tel: +86-28-85402455; E-mail: yanggang@scu.edu.cn

國家自然科學基金資助項目(51675357，51705348)

2017-10-16；

2018-06-28

1004-0609(2018)-10-2009-07

楊 剛，教授，博士；電話：028-85402279；E-mail: yanggang@scu.edu.cn

TF124

A

(編輯 何學鋒)