肖代紅,楊寶剛,申婷婷,袁鐵錘,賀躍輝,王守仁
(中南大學 粉末冶金國家重點實驗室,長沙 410083)
Mo、V和Ag對粉末冶金Ti-5Al合金組織與力學性能的影響
肖代紅,楊寶剛,申婷婷,袁鐵錘,賀躍輝,王守仁
(中南大學 粉末冶金國家重點實驗室,長沙 410083)
采用元素混合法制備粉末冶金Ti-Al-Mo-V-Ag合金,通過金相觀察、掃描電鏡及力學性能測試等方法研究Mo、V和Ag的添加及燒結溫度對Ti-5Al合金的燒結行為、顯微組織與力學性能影響,并對其作用機制進行探討。結果表明:1 350 ℃燒結時,V與Mo的添加能改善燒結合金的壓縮強度,單獨添加Ag時,則降低基體合金的綜合性能,但當Ag與Mo、V同時添加到基體合金中時,改變合金的顯微組織,提高燒結合金的致密度與抗壓縮強度,致密度能達到96%,抗壓縮強度達到1 782 MPa。同時,燒結溫度不同時,相同成分的粉末冶金Ti-5Al合金的顯微組織與性能也表現出不同的特征。
鈦合金;微合金化;燒結溫度;顯微組織;力學性能
鈦合金具有密度低、比強度高、屈強比高、塑韌性良好、耐腐蝕性好等優(yōu)點,在軍工和民用等領域具有廣闊的應用[1?2]。擴大鈦合金市場的瓶頸是鈦的提取、熔煉、機加工很難,從而導致生產成本高[3?4]。粉末冶金技術由于在零部件近凈形方面具有優(yōu)勢,能大大提高材料利用率,降低加工成本,并能獲得均勻細小的顯微組織,因此成為降低鈦合金成本的重要技術[3?6]。粉末冶金鈦合金的研究主要集中在混合元素法((BE)、預合金法(PA)和快速凝固法(RS)等3種方法上,其中混合元素法無論是經濟效益、成分選擇及微觀組織設計上,都比其它兩種方法優(yōu)越[7?8]。BE法鈦合金產品的主要應用是工業(yè)鈦過濾器、葉輪或整體葉盤等形狀復雜的零件,如俄羅斯的伊爾114飛機發(fā)動機高壓壓氣離心機葉輪和發(fā)動機軸支撐件。由于鋁具有密度低、在鈦中的固溶度大(質量分數超過6%)等特點,使得其成為鈦合金中主要合金化元素之一。
目前已研制的低鋁含量(2%~6%)粉末冶金鈦合金因具有較高強度、良好耐熱抗蠕變性能,而受到廣泛的關注[9?12]。由于合金化元素對粉末冶金鈦合金具有重要影響[13],為此,本文作者擬采用元素混合法制備Ti-5Al基合金,通過低壓燒結,研究Mo、V和Ag等的添加及不同燒結溫度對基體合金的組織與性能影響,為實際工業(yè)生產提供可行性參考。
試驗用鈦合金的名義成分如表1所列,原料為鈦粉、鉬粉、鋁粉、銀粉、鋁?釩中間合金粉,平均晶粒尺寸分別為48、1.5、2.6、0.7及74 μm。按照配比稱量粉末后,在行星式球磨機中通過氬氣保護進行濕磨24 h后,在真空干燥箱中干燥處理。干燥后的粉末采用鋼模壓制成型,壓力為 300 MPa。壓坯在 5 MPa氬氣環(huán)境中進行低壓燒結,燒結溫度分別為 1 150、1 250和1 350 ℃。燒結后樣品密度采用阿基米德排水法測量。試樣拋光后采用 Kroll試劑腐蝕并進行金相觀察。壓縮測試的樣品尺寸采用d 6 mm×7 mm,加載速率為1 mm/min。斷口觀察在FEI-Nano230型場發(fā)射掃描電鏡上進行。
表1 試驗合金的名義成分Table 1 Nominal composition of samples
2.1 合金的顯微組織
圖1 試樣在1 350 ℃燒結后的金相組織Fig.1 Optical microstructures of samples after sintering at 1 350℃: (a) Alloy 1; (b) Alloy 2; (c) Alloy 3; (d) Alloy 4; (e) Alloy 5;(f) Alloy 6
圖2 試樣在1 250 ℃燒結后的金相組織Fig.2 Optical microstructures of samples after sintering at 1 250 ℃: (a) Alloy 1; (b) Alloy 2; (c) Alloy 3; (d) Alloy 4; (e) Alloy 5;(f) Alloy 6
3種不同燒結溫度下的金相顯微組織如圖1、2及3所示。很明顯,在相同燒結溫度下,不同成分的Ti-5Al基合金的組織明顯不同。經1 350 ℃燒結后(見圖1),隨著添加合金元素的不同,合金中孔隙數量及顯微組織明顯不同,合金1為α型合金;而添加Mo的合金2,顯微組織由原始β晶粒及粗大片狀α相組成。含Ag合金3中,孔隙數量較多且粗大,合金4的主要組織為等軸α相及少量β相,而合金5是典型的α+β雙態(tài)組織,由等軸α相、原始β晶粒、β晶粒內的片狀α相及α晶團組成。當同時含Mo、V、Ag時,合金6的組織為魏德曼組織(Widmanstaetten structure),這種組織由原始β晶粒、片狀α相及α晶團組成。經1 250 ℃燒結后(見圖2),合金1為α型合金,合金3中孔隙數量較多且粗大,合金2與4的主要組織為等軸α相及少量β相,合金5是典型的α+β雙態(tài)組織,而合金 6的組織為魏德曼組織。當降低燒結溫度至1 150 ℃后(見圖3),合金1與2為α型合金,合金3中孔隙數量較多且粗大,合金4的主要組織為等軸α相及少量β相,合金5是典型的α+β雙態(tài)組織,而合金6的組織為魏德曼組織。
另外,對相同成分的合金,不同燒結溫度下,其顯微組織也有明顯的不同。對合金 1,當燒結溫度降低時,合金盡管均為α型合金,但晶粒尺寸減小。而合金2的燒結溫度從1 350 ℃降低到1 150 ℃時,其組織也發(fā)生了明顯的變化,1 350 ℃時,合金的組織由α相與β相組成,而1 150 ℃時,合金的組織為α相。合金3在不同燒結溫度下燒結后,均含有大量的空隙,只是孔隙數量不同。而對合金 6,不同燒結下的組織均為魏德曼組織,只是片狀α相的厚度不同,1 350 ℃燒結時的α相的厚度較1 150 ℃大。
圖3 試樣在1 150 ℃燒結后的金相組織Fig.3 Optical microstructures of samples after sintering at 1 150 ℃: (a) Alloy 1; (b) Alloy 2; (c) Alloy 3; (d) Alloy 4; (e) Alloy 5; (f)Alloy 6
粉末冶金鈦合金的顯微組織主要受合金成分影響,盡管Mo、V、Ag均為β相穩(wěn)定元素,但所起的作用卻不同。Mo與V元素是同晶型β相穩(wěn)定元素,它們與β相晶格類型相同,可無限固溶于β相中,無化合物相產生,主要起到固溶強化作用。而 Ag元素是一種共析型β相穩(wěn)定元素,與鈦會發(fā)生共析轉變,生成 TiAg 化合物相(見圖 5(f)),較強烈降低(α+β)/β 相點,使得合金中易生成片狀組織[14]。燒結溫度不同時,由于各元素擴散激活能不同,所產生的組織也不同,而高溫燒結有助于合金元素的擴散,使β相穩(wěn)定元素在基體合金中的固溶更為充分,從而在爐冷過程中,得到有效的析出。
2.2 合金的力學性能
對 1 350 ℃燒結試樣進行密度測試顯示(見圖4(a)),合金1的相對密度達到了90%;添加4%Mo合金2的相對密度達到了93%;添加5%Ag合金3的密度則降低至79%;而在基體合金中添加4%V時,合金4的相對密度相對合金1的沒有明顯變化;當同時在基體合金中添加4%Mo和4%V時,合金5的相對密度達到94%;而在合金5的基礎上,再添加5%Ag后,合金6的相對密度提高到96%以上。對燒結態(tài)合金進行壓縮性能測試顯示(見圖 4(b)),基體合金的抗壓塑強度達到了1 485 MPa,而含Mo合金2的抗壓縮強度提高到了1 634 MPa,但只添加Ag或V的合金3和4的抗壓縮強度分別只有385 MPa和901 MPa。而同時添加Mo和V的合金5的抗壓縮強度達到1 531 MPa,當在合金5的基礎上進一步添加5%Ag時,合金6的抗壓縮強度則達到1 782 MPa。
1 250 ℃燒結后的性能如圖4(c)與(d)所示,合金1的致密度為88%,合金2的致密度則為92%,合金3的致密度則降低到78%,合金4的致密度為85%,合金 5的致密度提到 91%,當同時添加 Mo、V和 Ag時,合金6的致密度進一步提到94.5%。壓縮性能測試顯示,合金1、2、5和6的抗壓縮強度分別達到了1 356、1 427、1 498 和 1 601 MPa。
經1 150 ℃燒結后(見圖4(e)與(f)),6種合金的致密度分別為85.7%、89.6%、74.5%、82.7%、90.7%和93%;而抗壓縮強度分別為1 250、1 332、287、513、1 400和1 580 MPa。1 250 ℃及1 150 ℃燒結后,合金成分對材料的致密度及壓縮性能的影響與1 350 ℃時相類似。
上述表明,在Ti-5Al合金中單獨添加Mo或V,并不改變基體合金的致密度,而單獨添加 Ag則降低了基體合金的密度,但Ag與Mo、V同時添加時,基體合金的密度反而得到提高。而抗壓縮強度表明,在Ti-5Al基合金中單獨添加V或Ag時,合金的抗壓縮強度并未提高,但同時添加Mo、V和Ag時,合金的抗壓縮強度明顯提高,顯示出Ag只有通過Mo與V共同添加時,才能發(fā)揮其作用。
圖4 試樣在1 350、1 250及1 150 ℃燒結后的性能比較Fig.4 Properties comparison of samples after sintering at 1 350 ℃((a), (b)), 1 250 ℃((c), (d)) and 1 150 ℃((e), (f))
同時分析也顯示,對相同成分的Ti-5Al基粉末冶金合金,隨著燒結溫度的降低,合金的致密度與抗壓縮強度分別降低。如合金6在1 350 ℃,合金的致密度與壓縮強度分別達到96%與1 782 MPa;而經1 150℃燒結后,合金的致密度與抗壓縮強度分別降低到93%與1 580 MPa。
根據圖4的結果可知,不同成分合金的強度與其致密度有一定的關系。DUCKWORTH[15]認為,隨著致密度的增大,燒結合金的強度具有呈指數增大趨勢。而本研究中,由于合金成分及燒結溫度的不同,燒結體的致密度也不同,其中合金3的致密度最低,而合金6的致密度最高,因此,合金6的抗壓縮強度也相應最大。
2.3 合金的斷口組織
圖5 合金在1 350 ℃燒結后的壓縮斷口形貌Fig.5 Compressive fracture surface morphologies of alloys 1(a), 2(b), 4(c), 5(d) and 6((e), (f)) after sintering at 1 350 ℃
對1 350 ℃燒結后合金的壓縮斷口進行SEM觀察(見圖5),合金中均含有孔洞,這是由于燒結過程中,并沒有完全致密化所產生的。同時添加 Mo、V的合金5(見圖5(d))相對合金1(見圖5(a))、合金2(見圖5(b))和合金3(見圖5(c)),孔洞數量減少。而在合金5中添加Ag時,合金6(見圖5(e))中的孔洞明顯減少。這與圖4(a)中合金相對密度的變化一致。從圖5中也看到,5種合金的斷裂主要都是穿晶斷裂與沿晶斷裂。但進一步分析顯示,在合金2、5及6中,有片狀痕跡,特別是合金6中的片狀相更為明顯,能譜測試顯示這些片狀相是α相。對合金6中片狀相的高倍組織分析表明(見圖5(f)),這些片狀相由平均尺寸120 nm的層片狀組成,在層片之間有納米級的球狀 TiAg化合物,這些化合物可起到彌散強化作用。
1) 在Ti-5Al合金中,單獨添加5%Ag或4%V時,合金的致密度及抗壓縮強度降低,而添加4%Mo則提高了合金的致密度與抗壓縮強度。
2) 當5%Ag元素與4%Mo及4%V同時添加時,合金的致密度及抗壓縮強度明顯得到提高。1 350 ℃燒結后,Ti-5Al-4Mo-4V-5Ag合金的致密度與抗壓縮強度分別達到96%與1 782 MPa。
3) Mo、V和Ag的添加改變基體合金的物相組成及顯微組織,含4%Mo、4%V和5%Ag的Ti-5Al合金為典型魏德曼組織,片狀析出相中含有納米級的TiAg化合物相。
4) Ti-5Al基合金隨著燒結溫度的提高,其致密度與抗壓縮強度得到提高。
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Effects of Mo, V and Ag additions on microstructure and mechanical properties of powder metallurgy Ti-5Al alloy
XIAO Dai-hong, YANG Bao-gang, SHEN Ting-ting, YUAN Tie-chui, HE Yue-hui, WANG Shou-ren
(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)
The powder metallurgy (P/M) Ti-Al-Mo-V-Ag alloys were processed by powder metallurgy using the blended elemental (BE) technique. The effects of Mo, V and Ag additions and sintering temperature on the microstructures and mechanical properties of the Ti-5Al alloys were investigated using optical microscope, scanning electron microscope and mechanical properties tests. The results show that adding Mo or V elements improves the compression strength of the based alloys after sintering at 1 350 ℃, and Ag element addition decreases the properties of Ti-5Al alloy. However,adding Ag element with Mo and V elements increases the density and compressive strength of P/M Ti-5Al alloy. The relative density and compressive strength of the Ti-5Al-4Mo-4V-5Ag alloy are 96% and 1 782 MPa, respectively.Moreover, the sintering temperature also affects the microstructures and properties of the PM Ti-5Al based alloys.
titanium alloys; microalloying; sintering temperature; microstructure; mechanical properties
TG 146.23
A
1004-0609(2011)06-1265-07
國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體科學基金資助項目(51021063);國家杰出青年科學基金資助項目(50825102);粉末冶金國家重點實驗室創(chuàng)新基金資助項目(PM2010);中國博士后科學基金特別資助項目(200801348);湖南省科技計劃博士后專項資助項目(2009RS3025)
2010-06-28;
2010-09-28
肖代紅,副教授,博士;電話:0731-88877880;E-mail: xdh0615@163.com
(編輯 李艷紅)