王哲磊，任學(xué)平，侯紅亮，王耀奇，逯 偉

(1.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083;2.北京航空制造工程研究所，北京 100024;3.山東大學(xué)機(jī)電與信息工程學(xué)院，山東 威海 264209)

泡沫鈦是一種以鈦及其合金為基體并在其內(nèi)部分布著孔洞的材料，其不僅具有鈦及其合金的比強(qiáng)度高、比剛度高以及耐腐蝕的特點(diǎn)，而且具有吸能、隔音降噪、低熱導(dǎo)率和磁導(dǎo)率等多孔材料的特性，在航空、航天、化工、醫(yī)療器械等方面具有廣泛的應(yīng)用前景［1－3］.

目前，泡沫鈦制備方法主要有添加造孔劑法［4］、空心球燒結(jié)法［5］、氣體捕捉法［6－7］等，其中，氣體捕捉法制備的泡沫鈦三明治結(jié)構(gòu)在飛機(jī)艙門、機(jī)翼以及加強(qiáng)筋蒙皮方面具有潛在的應(yīng)用前景，且波音公司已經(jīng)采用該方法制備出可以應(yīng)用的泡沫鈦三明治結(jié)構(gòu)面板［1］.氣體捕捉法作為一種重要的固態(tài)發(fā)泡制備泡沫鈦方法，國外學(xué)者對此已開展相關(guān)研究，主要是圍繞利用熱循環(huán)［8－10］和氫化脫氫［11－12］誘導(dǎo)基體材料相變超塑性提高孔隙率方面展開的，但由于熱循環(huán)和氫化脫氫工藝本身對設(shè)備要求較高，使其在工業(yè)應(yīng)用方面存在局限性;在等溫發(fā)泡方面也有一定研究，但主要是作為對比實(shí)驗(yàn)，尚不夠系統(tǒng)，尤其是在孔洞形態(tài)控制方面.盡管通過等溫發(fā)泡制備的泡沫鈦孔隙率相對較低，但其孔洞形態(tài)規(guī)整，發(fā)泡設(shè)備簡單，具有進(jìn)一步推廣的前景.而國內(nèi)針對氣體捕捉法的泡沫鈦制備研究尚未見相關(guān)報(bào)道.

本文將針對氣體捕捉法的等溫發(fā)泡過程開展研究，對等溫發(fā)泡過程中孔洞狀態(tài)隨發(fā)泡溫度及發(fā)泡時(shí)間變化進(jìn)行觀察及分析，闡明等溫發(fā)泡過程孔隙率和孔洞狀態(tài)的變化規(guī)律及機(jī)制，以期為氣體捕捉法等溫發(fā)泡制備泡沫鈦的推廣提供實(shí)驗(yàn)依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用中國科學(xué)院金屬研究所生產(chǎn)的100－200目球形 Ti－6Al－4V 粉(化學(xué)成分如表1所示)為原材料，粒徑主要分布范圍為75～150 μm，微觀形貌及組織如圖1所示;包套材料為商用 Q235鋼(包套外形尺寸為100 mm×200 mm×30 mm，壁后為3 mm).

實(shí)驗(yàn)過程主要是由包套封裝、包套致密化、預(yù)制坯等溫發(fā)泡3個(gè)階段組成，如圖2所示.具體工藝如下:首先，將Ti－6Al－4V粉裝入留有通氣管的鋼包套內(nèi)，抽真空(真空度10－1Pa)后沖入0.4 MPa高純氬氣(純度為99.999%)，再將通氣管焊死，完成包套的封裝.然后，將包套置于MINI Hip－H1Q9型熱等靜壓設(shè)備中，在980℃/100 MPa/4 h條件下進(jìn)行包套致密化實(shí)驗(yàn);去掉鋼包套后用線切割將其切成10 mm×11 mm×15 mm的Ti－6Al－4V 坯料，封入內(nèi)徑為20 mm石英管內(nèi)(真空度為10－3Pa).最后，將封有預(yù)制坯的石英管放入ZDXS5－1.5箱式爐中進(jìn)行等溫發(fā)泡實(shí)驗(yàn)，工藝參數(shù)如表2所示，當(dāng)達(dá)到保溫時(shí)間后，將其直接取出并立刻放入水中打破，將坯料高溫組織特征保留到室溫.為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有代表性，每個(gè)條件下選取5個(gè)試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

表1 粉末化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

圖1 Ti-6Al-4V粉微觀形貌(a)及組織狀態(tài)(b)

圖2 泡沫Ti-6Al-4V制備工藝流程

依據(jù)阿基米德原理，通過SARTORIUSAG-ME235S電子天平計(jì)算坯料的密度(ρ);根據(jù)公式(1－ρ/ρs)×100%計(jì)算坯料孔隙率并求其平均值，其中致密的Ti－6Al－4V 合金密度(ρs)為4.45 g/cm3.運(yùn)用OLYMPUS-BX41M 金相顯微鏡和LEO－1450掃描電子顯微鏡分別對制備的坯料組織和孔洞狀態(tài)進(jìn)行觀察，侵蝕劑為Kroll試劑.運(yùn)用圖像處理軟件Image-Pro-Plus分析掃描電子顯微鏡照片，得到泡沫Ti－6Al－4V的孔徑(選取孔壁與視角平面接近90°的孔洞進(jìn)行測量，對較大的20個(gè)孔洞求平均值).

表2 等溫發(fā)泡工藝參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)泡溫度對預(yù)制坯發(fā)泡行為影響

預(yù)制坯等溫發(fā)泡后孔隙率和孔徑隨發(fā)泡溫度變化曲線如圖3所示，其發(fā)泡時(shí)間均為50 h.從圖3可以看出:孔隙率和孔徑隨發(fā)泡溫度變化規(guī)律相似，均是隨著發(fā)泡溫度的升高逐漸增加，當(dāng)溫度達(dá)到950℃時(shí)孔隙率達(dá)到最大的34.8%，孔徑值達(dá)到最大的158μm;但繼續(xù)升高發(fā)泡溫度，孔隙率和孔徑均下降.

對不同條件下得到的泡沫Ti－6Al－4V孔洞狀態(tài)進(jìn)行觀察，如圖4所示，其右上角為局部孔洞放大圖.從圖4可以看出，相同預(yù)制坯在不同溫度下等溫發(fā)泡后孔洞數(shù)量并沒有明顯變化，但相對于原始坯料卻有明顯增加，這是因?yàn)橥ㄟ^掃描電子顯微鏡觀察到的未發(fā)泡預(yù)制坯內(nèi)孔洞只是少數(shù)，很多微米以下的孔洞并未被觀察到;發(fā)泡溫度主要是以提高坯料內(nèi)大孔孔徑的方式增加孔隙率，但過高的溫度并不利于預(yù)制坯內(nèi)孔洞的長大.根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT(p為理想氣體的壓強(qiáng)，Pa;V為理想氣體的體積，m3;n為氣體物質(zhì)的量，mol;T為熱力學(xué)溫度，K;R為理想氣體常數(shù)，R=8.314 J/(mol·K))可知，預(yù)制坯孔洞內(nèi)氬氣壓力隨發(fā)泡溫度升高而升高，同時(shí)基體材料的高溫流變應(yīng)力隨溫度升高而降低，因此，預(yù)制坯內(nèi)孔徑隨發(fā)泡溫度升高而增大.

圖3 孔隙率和孔徑隨發(fā)泡溫度變化曲線

圖4 不同條件下泡沫Ti-6Al-4V孔洞形態(tài)

對不同發(fā)泡溫度發(fā)泡后坯料室溫組織進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5所示.由圖5可以看到:當(dāng)發(fā)泡溫度在950℃時(shí)，室溫下，坯料主要由原生α相和次生α相組成.α相尺寸主要為20 μm左右，與基體材料原始α相相比均有一定的長大，說明在950℃及以下時(shí)基體組織主要發(fā)生的是α相向β相轉(zhuǎn)變過程，雖然也伴隨著相鄰相的融合長大，但由于原始α相對β相起到相互隔離作用，并沒有發(fā)生較大β相融合長大;當(dāng)溫度達(dá)到980℃時(shí)，次生α相尺寸大于50 μm，說明高溫狀態(tài)下部分相鄰的β相發(fā)生了融合長大;而溫度達(dá)到1 010℃時(shí)，此時(shí)已經(jīng)超過α+β→β的相轉(zhuǎn)變溫度，高溫狀態(tài)下材料已經(jīng)完全是粗大的β相，因此，得到的室溫基體組織為細(xì)片層β轉(zhuǎn)變組織.由此可知，雖然發(fā)泡溫度越高，坯料基體孔洞內(nèi)氬氣壓力越大，孔壁流變應(yīng)力越小，但由于孔洞的長大主要是孔壁在多向應(yīng)力作用下發(fā)生蠕變變形的結(jié)果，過高的發(fā)泡溫度會造成基體內(nèi)大量大尺寸β相生成，使其蠕變變形能力較差［13］.它直接導(dǎo)致相鄰孔洞在還沒有充分長大的情況下就形成與其外表面相互連通的孔洞網(wǎng)絡(luò)，而這種孔洞連通現(xiàn)象通常是造成預(yù)制坯內(nèi)捕捉到的氬氣外溢的直接原因，最終使預(yù)制坯內(nèi)部孔洞因失去發(fā)泡動(dòng)力而停止長大.在發(fā)泡溫度高于950℃的坯料內(nèi)均能見到相互連通的小孔洞，如圖4中箭頭A所示，且溫度越高，這種連通現(xiàn)象越明顯.

坯料高溫狀態(tài)下組織也決定了孔洞形態(tài).對圖4中孔洞形態(tài)局部放大對比可以看出:發(fā)泡溫度在950℃及以下時(shí)，坯料內(nèi)孔洞基本都接近球形，孔壁成凹凸不平狀.由于高溫下基體雖然發(fā)生了α+β→β相轉(zhuǎn)變，但β相尺寸由于原生α相隔離作用并沒有長得過大，限制了預(yù)制坯基體晶粒的長大.孔洞長大主要是孔壁在多向應(yīng)力作用下發(fā)生冪律蠕變和擴(kuò)散蠕變的結(jié)果，此時(shí)晶界滑動(dòng)是蠕變的主要協(xié)調(diào)機(jī)制［14］，直接表現(xiàn)在孔洞內(nèi)壁成凹凸不平狀;由于這些凹凸尺寸相對于孔徑較小，并未對孔洞整體形狀產(chǎn)生影響，孔洞接近標(biāo)準(zhǔn)的球形.當(dāng)溫度高于950℃后，由于機(jī)體內(nèi)β相通過融合而長大，β相尺寸已經(jīng)達(dá)到50 μm以上，必然導(dǎo)致基體晶粒也快速長大，此時(shí)晶界滑移已十分困難，蠕變主要的協(xié)調(diào)機(jī)制是晶內(nèi)滑移系的滑移，沿著β相內(nèi)平面能較低的{1 0 0}晶面進(jìn)行滑移［15］，在圖4(e)的孔洞高倍照片中可以看到，此時(shí)的孔壁已經(jīng)是大量的滑移面組成(圖4(e)中箭頭B所示);進(jìn)一步升高蠕變溫度到1 010℃，由于超過了α+β→β相轉(zhuǎn)變溫度，β相迅速長大到100 μm以上，基本不存在晶界滑移現(xiàn)象，孔壁均由滑移面組合而成.由于孔壁的滑移面尺寸均在50 μm以上，其對孔洞的形狀產(chǎn)生直接影響，導(dǎo)致孔形成邊多形狀.

圖5 不同條件下泡沫Ti-6Al-4V基體組織

2.2 發(fā)泡時(shí)間對預(yù)制坯發(fā)泡行為影響

對坯料在950℃下發(fā)泡后孔隙率和孔徑隨發(fā)泡時(shí)間變化情況進(jìn)行了研究，如圖6所示.分析表明:孔隙率和孔徑隨發(fā)泡時(shí)間變化規(guī)律基本一致.當(dāng)發(fā)泡時(shí)間小于10 h時(shí)，孔隙率和孔徑均隨發(fā)泡時(shí)間的延長而逐漸增加，但它們的增加速率都逐漸減小.當(dāng)發(fā)泡時(shí)間大于10 h后，孔隙率和孔徑的增加均較緩慢.其中當(dāng)發(fā)泡時(shí)間為10 h時(shí)，孔隙率達(dá)到34.2%，孔徑達(dá)到156 μm;繼續(xù)增加發(fā)泡時(shí)間到50 h，坯料孔隙率和孔徑并沒有明顯的增加.

圖6 孔隙率和孔徑隨發(fā)泡時(shí)間變化曲線

對950℃下不同時(shí)間發(fā)泡后坯料孔洞進(jìn)行觀察，如圖7所示.從圖7可以看出:蠕變發(fā)泡1 h時(shí)，基體內(nèi)孔洞分布相對分散，多為相鄰孔洞相互連通后形成的不規(guī)則形狀孔洞(如圖7中箭頭所示)，球形孔洞較少.隨著時(shí)間的增加，孔洞逐漸長大的同時(shí)，基體內(nèi)相對規(guī)則的球形孔洞數(shù)量逐漸增加，但仍有大量相互連通的孔洞，且這些相互連通孔洞的孔徑也成增加的趨勢.當(dāng)發(fā)泡時(shí)間為6 h時(shí)，基體內(nèi)開始出現(xiàn)較多規(guī)則的球形孔洞.繼續(xù)增加發(fā)泡時(shí)間達(dá)到10 h，規(guī)則的球形孔洞的孔徑進(jìn)一步增大，其中較大的孔徑已經(jīng)達(dá)到170 μm，繼續(xù)延長發(fā)泡時(shí)間，孔洞形態(tài)及孔徑均未有明顯變化.由此可知，增加發(fā)泡時(shí)間的作用主要表現(xiàn)在以促進(jìn)孔洞長大的方式提高坯料孔隙率，球形孔洞數(shù)量隨著發(fā)泡時(shí)間的增加逐漸增多，但過長的發(fā)泡時(shí)間并不會引起坯料孔洞及孔隙率發(fā)生進(jìn)一步變化.

圖7 950℃不同時(shí)間發(fā)泡后泡沫Ti-6Al-4V孔洞形態(tài)

3 結(jié)論

1)泡沫Ti－6Al－4V孔隙率及孔徑均隨等溫發(fā)泡溫度升高而增加.但當(dāng)發(fā)泡溫度大于950℃時(shí)，由于基體生成大尺寸β相，導(dǎo)致相鄰孔洞在還沒有充分長大的情況下就形成與其外表面相互連通的孔洞網(wǎng)絡(luò)，反而使坯料發(fā)泡后孔隙率和孔徑均減小，且孔洞形態(tài)由球形變成多邊形.

2)增加等溫發(fā)泡時(shí)間的作用主要表現(xiàn)在以促進(jìn)孔洞長大的方式提高坯料孔隙率，同時(shí)規(guī)則的球形孔洞數(shù)量隨著發(fā)泡時(shí)間的增加逐漸增多，但過長的發(fā)泡時(shí)間并不會引起坯料孔洞及孔隙率進(jìn)一步的變化.

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