正交法研究添加Y2O3對Ti-6Al-4V合金組織與性能的影響

羅鐵鋼，王昆昆，符乃科,李 志

(1. 廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510650)(2. 南昌航空大學(xué)，江西 南昌 330038)

鈦及鈦合金具有密度低、比強度高、耐腐蝕性好和生物相容性優(yōu)良等優(yōu)點，被應(yīng)用于航空航天、石油化工、生物醫(yī)療等領(lǐng)域[1]。但由于鈦及鈦合金機加工困難，限制了其更廣泛的應(yīng)用[2]。采用粉末冶金技術(shù)可實現(xiàn)鈦及鈦合金的近凈成形制備，降低加工難度和生產(chǎn)成本，是拓展鈦及鈦合金應(yīng)用的重要途徑之一。

放電等離子燒結(jié)(spark plasma sintering，SPS)是粉末冶金技術(shù)中的一個重要方法，它通過在粉末內(nèi)通入脈沖電流使顆粒之間放電，瞬間產(chǎn)生局部高溫，從而實現(xiàn)材料燒結(jié)，具有升溫速率快、燒結(jié)時間短、組織結(jié)構(gòu)可控等優(yōu)點，尤其在制備高致密度、均勻、細晶材料方面有獨特的優(yōu)勢[3-4]。添加稀土元素能改變鈦合金的微觀結(jié)構(gòu),從而改善其性能，如Y、 La、Ce、Pr、Nd、Pm等被用來提高鈦合金的韌性、強度及抗腐蝕能力[5-6]。因此，研究采用SPS技術(shù)制備鈦及鈦合金時，稀土元素的作用機制及SPS燒結(jié)工藝對其性能的影響規(guī)律，對于獲得高性能鈦及鈦合金制品具有很好的指導(dǎo)意義。

正交實驗是優(yōu)化工藝設(shè)計的主要方法之一[7-8]，它能通過少量實驗有效確定出影響鈦合金燒結(jié)密度和力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，通過對實驗結(jié)果分析，可以揭示鈦合金燒結(jié)密度及力學(xué)性能與各因素不同水平的關(guān)系[9]，從而實現(xiàn)對鈦合金性能的調(diào)控。因此，本研究采用正交實驗探究Y2O3含量對Ti-6Al-4V合金組織、燒結(jié)密度、力學(xué)性能的影響，旨在應(yīng)用SPS技術(shù)制備接近全致密的Ti-6Al-4V合金，得到最佳的燒結(jié)工藝，并揭示其影響規(guī)律，為拓展鈦及鈦合金的應(yīng)用提供借鑒。

1 實 驗

實驗所用Ti-6Al-4V合金粉(粒徑15～45 μm)和Y2O3粉均為市購，其SEM形貌如圖1所示。分別取一定量的Y2O3和Ti-6Al-4V合金粉，采用V型混料器混料2 h，得到含有0.2%、0.6%和0.8%(質(zhì)量分數(shù)，下同)Y2O3的Ti-6Al-4V合金粉。將混合好的粉末置于SPS-30型燒結(jié)爐中進行燒結(jié)。采用正交實驗研究以下工藝參數(shù)對燒結(jié)Ti-6Al-4V合金致密度及力學(xué)性能的影響:(A)燒結(jié)溫度；(B)燒結(jié)壓力；(C)保壓時間；(D)Y2O3含量。由于燒結(jié)爐的額定壓力值為60 MPa，額定溫度為1 300 ℃，參考前期的實驗經(jīng)驗，設(shè)定的正交實驗因素和水平見表1。

圖1 Ti-6Al-4V合金粉和Y2O3粉的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of Ti-6Al-4V alloy powders(a) and Y2O3 powders(b)

按表2所示L9(34)正交實驗方案進行試樣燒結(jié)。燒結(jié)樣品用線切割取樣，加工成φ3.5 mm×5.3 mm的圓柱壓縮試樣。采用島津SHIMADZU AG-X電子萬能試驗機進行室溫壓縮試驗。采用JEM-2100F透射電鏡(TEM)觀察鈦合金組織和Y2O3顆粒的界面結(jié)合情況。采用JXA-8100掃描電鏡(SEM)和光學(xué)顯微鏡觀察燒結(jié)試樣的顯微組織。采用阿基米德排水法測量燒結(jié)試樣的密度。

表1正交實驗的因素和水平

Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments

表2L9(34)正交實驗方案

Table 2 L9(34) orthogonal design of experiments

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

圖2為不同方案燒結(jié)的Ti-6Al-4V合金金相照片。從圖2可以看出，不同方案燒結(jié)的合金組織均為粗片層狀的β轉(zhuǎn)變組織，在晶內(nèi)的片層α鈦相互交錯形成網(wǎng)籃組織，在晶界處存有排列方向一致的α集束；且隨著燒結(jié)溫度升高，α集束逐漸減少。

圖3為1 200 ℃下燒結(jié)的不同Y2O3含量的Ti-6Al-4V合金背散射電子像。因Y元素的相對原子質(zhì)量比鈦合金中的其他元素都大，因此圖中亮點為Y2O3顆粒，通過能譜分析也證實了這一點。從圖3可以看出，多數(shù)Y2O3顆粒呈橢圓形，也有少部分呈長棒狀，且隨著含量的增多，分布依然比較均勻，并未出現(xiàn)聚集析出現(xiàn)象。在圖3a、b中可以很明顯的看到有許多縱橫交錯的β轉(zhuǎn)變組織。

圖2 不同方案燒結(jié)的Ti-6Al-4V合金金相照片F(xiàn)ig.2 Metallographs of Ti-6Al-4V alloy prepared by different experiments:(a)experiment 3；(b)experiment 6； (c)experiment 9

圖3 不同Y2O3含量的Ti-6Al-4V合金背散射電子像Fig.3 EBSD images of Ti-6Al-4V alloy with different Y2O3 content:(a)0.2%； (b)0.6%； (c)0.8%

圖4為1 200 ℃燒結(jié)的Ti-6Al-4V合金(Y2O3含量為0.8%)TEM照片。從圖4可以看出，Y2O3顆粒呈橢圓形鑲嵌在α和β鈦晶界處，且Y2O3顆粒與Ti-6Al-4V基體界面結(jié)合緊密，這說明1 200 ℃時， Y2O3顆粒與Ti-6Al-4V基體界面具有很高的結(jié)合強度。

圖4 1 200 ℃燒結(jié)的Ti-6Al-4V合金TEM照片F(xiàn)ig.4 TEM image of Ti-6Al-4V alloy sintering at 1 200 ℃

2.2 燒結(jié)密度和力學(xué)性能

表3為不同實驗方案燒結(jié)的Ti-6Al-4V合金的密度及壓縮強度。從表3可以看出，方案9所得Ti-6Al-4V合金的燒結(jié)密度最高，方案7所得Ti-6Al-4V合金的壓縮強度最高。

表3不同方案燒結(jié)的Ti-6Al-4V合金的密度和壓縮強度

Table 3 Density and compressive strength of Ti-6Al-4V alloys under different experiments

2.2.1 燒結(jié)密度

表4為Ti-6Al-4V合金燒結(jié)密度的L9(34)正交實驗結(jié)果極差分析。從表4可以看出，4個因素(燒結(jié)溫度、壓力、保壓時間、Y2O3含量)對Ti-6Al-4V合金燒結(jié)密度的影響程度各有不同，從大到小依次為燒結(jié)溫度、壓力、Y2O3含量和保壓時間。Y2O3含量對Ti-6Al-4V合金燒結(jié)密度的影響不大，這是因為在1 100 ℃燒結(jié)時Ti-6Al-4V合金已比較致密，沒有明顯的孔隙，其中在A3B3C2D1或A3B3C2D2燒結(jié)條件下的密度最高，但A3B3C2D2實驗條件該組合未出現(xiàn)在正交實驗中，故采用式(1)和式(2)估算相應(yīng)的指標(biāo)值。

(1)

(2)

表4鈦合金燒結(jié)密度的L9(34)正交實驗結(jié)果極差分析(g·cm-3)

Table 4 Analysis of L9(34) orthogonal experiments results of density of Ti-6Al-4V alloys

2.2.2 力學(xué)性能

表5為Ti-6Al-4V合金壓縮強度的L9(34)正交實驗結(jié)果極差分析。從表5可以看出，4個因素對Ti-6Al-4V合金壓縮強度的影響程度各有不同，從大到小依次為燒結(jié)溫度、Y2O3含量、壓力和保壓時間。Y2O3含量對Ti-6Al-4V合金力學(xué)性能的影響僅次于燒結(jié)溫度，這是因為在1 100 ℃時Ti-6Al-4V合金已接

表5Ti-6Al-4V合金壓縮強度的L9(34)正交實驗結(jié)果極差分析(MPa)

Table 5 Analysis of L9(34) orthogonal experiments results of mechanical properties of Ti-6Al-4V alloys

近全致密，加入Y2O3顆粒并不會對其密度有顯著影響，而Y2O3顆粒的加入會阻斷β鈦的生成，并且釘扎在β鈦處(見圖4)，阻礙β鈦的滑移，從而提高Ti-6Al-4V合金的壓縮強度。從表5可以得出，在A3B3C3D2燒結(jié)條件下的壓縮強度最大，但該組實驗未出現(xiàn)在正交試驗中，采用式(1)和式(2)估算相應(yīng)的指標(biāo)值。

由于采用阿基米德法測量密度時可能會產(chǎn)生一定的誤差，故本實驗沒有選擇較高的顯著水平，而是選擇α=0.05，查表可得F0.05=19.0。通過計算，各因素對鈦合金力學(xué)性能的偏差分析結(jié)果見表6。從表6可知，燒結(jié)溫度對Ti-6Al-4V合金壓縮強度有顯著影響，其他3因素對壓縮強度的影響不大。

表6各因素對Ti-6Al-4V合金壓縮強度的偏差分析結(jié)果

Table 6 Deviation analysis results of various factors on mechanical properties of Ti-6Al-4V alloys

2.3 最佳燒結(jié)參數(shù)

表7為極差分析法優(yōu)選結(jié)果。從表7可見，燒結(jié)溫度對密度和力學(xué)性能的影響最大。在1 200 ℃燒結(jié)時，Ti-6Al-4V合金的密度最大，壓縮強度也最高，因此燒結(jié)溫度選擇1 200 ℃。而對密度來說，Y2O3對Ti-6Al-4V合金的密度影響程度不大，但對力學(xué)性能的影響程度較大，僅次于溫度，這是因為在燒結(jié)過程中Y2O3合理阻礙了β鈦的生長，起著釘扎的作用。根據(jù)表7，Y2O3含量為0.6%時，密度和壓縮強度的最佳燒結(jié)壓力均為50 MPa。這是因為在1 100～1 200 ℃區(qū)間內(nèi)Y2O3顆粒需要借助溫度和壓力與Ti-6Al-4V合金基體緊密結(jié)合，所以壓力選擇50 MPa。而對于保壓時間的選擇，因其對壓縮強度的影響最小，因此在計算各因素對Ti-6Al-4V合金力學(xué)性能的偏差分析時把保壓時間作為誤差項，故以最大密度的保壓時間為準(zhǔn)，為5 min。

表7極差分析法優(yōu)選結(jié)果

Table 7 Prefered results of range analysis

由表4、表5和表7可知，隨著燒結(jié)溫度的升高，燒結(jié)樣的密度和壓縮強度逐漸增大，且在Y2O3含量為0.6%時壓縮強度最高。根據(jù)極差法優(yōu)選出的工藝參數(shù)為燒結(jié)溫度1 200 ℃、壓力50 MPa、保壓時間5 min、Y2O3含量0.6%，此時燒結(jié)樣的密度和壓縮強度分別達到4.413 8 g/cm3、1 881.4 MPa。按此工藝獲得的Ti-6Al-4V合金壓縮強度與宋紫薇[10]用熱壓法制備的鈦鋁合金相當(dāng)，略低于張長江[11]以鑄造方式制備的Ti-6Al-2.5Sn-4Zr-0.7Mo-0.3Sn-0.3Y合金，但塑性高于以鑄造方式制備的Ti-6Al-4V合金。

2.4 性能對比

圖5為在溫度1 200 ℃、壓力50 MPa、保溫時間5 min條件下得到的不含Y2O3的Ti-6Al-4V合金金相照片。由圖5可以看出，未添加Y2O3的Ti-6Al-4V合金組織為晶間α+全片層β轉(zhuǎn)變組織，而添加Y2O3后的組織為細片層β轉(zhuǎn)變組織(圖2)。

圖5 不含 Y2O3的Ti-6Al-4V合金金相照片F(xiàn)ig.5 Metallograph of Ti-6Al-4V alloy without Y2O3

經(jīng)測量，0.6% Y2O3的Ti-6Al-4V合金壓縮強度為1 881 MPa，相比同等條件下不含Y2O3的Ti-6Al-4V合金的壓縮強度(1 625 MPa)提高了15.7%。

3 結(jié) 論

(1)通過正交實驗，得到Ti-6Al-4V合金的最佳燒結(jié)工藝參數(shù)為:燒結(jié)溫度1 200 ℃、壓力50 MPa、保壓時間5 min、Y2O3含量0.6%。在該條件下燒結(jié)樣的密度和力學(xué)性能較高，分別達到4.413 8 g/cm3、1 881.4 MPa，相比未添加Y2O3的Ti-6Al-4V合金壓縮強度提高15.7%。

(2)影響Ti-6Al-4V合金燒結(jié)密度的因素從大到小依次為燒結(jié)溫度、壓力、Y2O3含量、保壓時間；影響力學(xué)性能的因素從大到小依次為燒結(jié)溫度、Y2O3含量、壓力、保壓時間。添加Y2O3顆粒會阻斷β鈦的生成，并且釘扎在β鈦處，阻礙β鈦的滑移，因此能夠提高Ti-6Al-4V合金的壓縮強度。