含氫氧元素的純鈦擠壓材制備及性能研究

間隙型輕元素氫和氧對(duì)鈦的組織結(jié)構(gòu)具有可控性，可用于制備高強(qiáng)度、低成本化的鈦合金。為此，日本大阪大學(xué)的研究人員擬通過(guò)采用TiH2粉末、TiO2粉末設(shè)計(jì)研制出抗拉強(qiáng)度Rm≥1 000 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率A≥20%的高強(qiáng)度純鈦材。

實(shí)驗(yàn)采用純度為99.5%，粒徑為18.8 μm的TiH2粉末，在室溫下于600 MPa的壓力下制成質(zhì)量為160 g的φ 41 mm圓柱狀壓坯，然后分別在1 073、1 173、1 273 K下氬氣氣氛中脫氫、燒結(jié)，燒結(jié)體表面經(jīng)切削加工后在1 073 K下經(jīng)擠壓得到擠壓材，并對(duì)擠壓材的性能進(jìn)行測(cè)試。氧元素則通過(guò)純度為99.5%，粒徑為1.7 μm的TiO2粉末添加，將1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))TiO2粉末與上述TiH2粉末混合，經(jīng)球磨(磨球?yàn)閆rO2)后得到混合均勻的粉末，按照上述工序制成擠壓材，進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的評(píng)價(jià)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，TiH2粉末的燒結(jié)溫度不同，燒結(jié)體經(jīng)熱擠壓后的氫含量亦有所不同。氫含量最低的擠壓材為H-1273(表示原料為TiH2粉末，燒結(jié)溫度為1 273 K)，其屈服強(qiáng)度Rp0.2為523 MPa，抗拉強(qiáng)度Rm為702 MPa，斷裂延伸率A為27.1%，彈性模 量E為107 GPa，且呈α等軸組織以及＜10＞α織構(gòu)，組織及結(jié)構(gòu)與一般純鈦擠壓材相同，可見(jiàn)直接以TiH2粉末為原料可實(shí)現(xiàn)純鈦材加工的低成本化。對(duì)于在較低溫度下脫氫燒結(jié)的擠壓材H-1173及H-1073，其織構(gòu)為＜0001＞α，呈約2～3 μm的細(xì)晶組織，這是由于受到β穩(wěn)定元素H的影響所導(dǎo)致的。另外，擠壓材H-1073除了晶粒得到細(xì)化，彈性模量也因織構(gòu)強(qiáng)化而有所增加，屈服強(qiáng)度Rp0.2增加了187 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率A達(dá)到了27.6%，具有與擠壓材H-1273同等的高延展性。此外，研究人員還探討了具有＜0001＞α織構(gòu)的擠壓材的斷裂伸長(zhǎng)率受氫含量的影響程度，即對(duì)擠壓材H-1073在1 073 K下進(jìn)行不同脫氫時(shí)間的試驗(yàn)。結(jié)果表明，不同氫含量的純鈦擠壓材具有不同的組織，因此可通過(guò)控制TiH2粉末中氫含量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)相變、組織的控制，從而制備出所需性能的材料。添加有1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))TiO2的混合粉末在1 173 K下脫氫燒結(jié)并擠壓得到的擠壓材由于氧原子的固溶強(qiáng)化作用及氫的晶粒細(xì)化作用，其屈服強(qiáng)度Rp0.2達(dá)990 MPa，抗拉強(qiáng)度Rm達(dá)1 158 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率A達(dá)23.9%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于市售Ti-6Al-4V合金的性能。

10.13567/j.cnki.issn1009-9964.2014.03.011

吳全興摘譯自《チタン》