莫曉飛，魏戰(zhàn)雷，李建崇，朱郎平，黃東

（1. 中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2. 北京市先進鈦合金精密成型工程技術(shù)研究中心，北京 100095）

鈦合金具有密度低、比強度高、屈強比高、塑韌性和耐腐蝕性好等優(yōu)點，在軍工、民用等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1—2]。隨著尖端武器的發(fā)展，鈦合金鑄件得到越來越多的應(yīng)用。隨著使用要求的提高，但傳統(tǒng)鑄造工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)方面，鑄件還存在一些問題，例如鑄件中存在氣孔和疏松、來自型殼材料的夾雜，而且存在宏觀成分偏析等缺陷難以徹底去除，另外鑄件晶粒粗大且尺寸不一致。粉末冶金技術(shù)由于在構(gòu)件近凈成形具有優(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(xì)小的顯微組織，因此成為降低鈦合金成本的重要技術(shù)[3—4]。粉末冶金全致密化工藝可以避免鑄造所造成的缺陷和成分偏析，粉末冶金的一些力學(xué)性能已超過鑄態(tài)合金，接近了鍛造合金性能。

粉末冶金可以制備形狀復(fù)雜、精度高的構(gòu)件，熱等靜壓(HIP)是金屬粉末全致密化工藝必不可少的關(guān)鍵工藝，近些年，又開發(fā)了一些準(zhǔn)等靜壓技術(shù)[5]。其中鈦合金粉末陶瓷模全致密化工藝是一種制備高性能、復(fù)雜構(gòu)件的近凈成形工藝技術(shù)，該工藝是利用熱等靜壓技術(shù)的一種先進的近凈成形工藝，采用陶瓷材料作模具，陶瓷顆粒作二次傳壓介質(zhì)，將金屬粉末封裝在包套內(nèi)，金屬粉末在高溫高壓環(huán)境下，完成了擴散、晶界融合，粉末內(nèi)空隙消失，最終獲得近凈成形的構(gòu)件，該工藝采用蠟?zāi)Ｔ煨?、容易制造形狀極其復(fù)雜的零件，具有適應(yīng)性好、壓制溫度低、易于脫模、產(chǎn)品尺寸精度較高、成本低等優(yōu)點。典型的陶瓷模有Y2O3-ZrO2[6], Al2O-SiO2[7]及ZrO2三種。美國Crucible公司開發(fā)出了采用陶瓷模的熱等靜壓接近成品形狀的成形工藝-陶瓷模工藝[5,8]，該公司已運用這種工藝成功制造出了各種形狀復(fù)雜的粉末冶金零部件[9—11]。國內(nèi)中南大學(xué)對陶瓷模工藝中的制模工藝和技術(shù)進行了研究，并取得了一定成果[12—13]，但并沒有進入實際應(yīng)用。

陶瓷模粉末冶金工藝包括陶瓷模制備、裝粉、封裝包套、熱等靜壓工序，文中研究了 Y2O3陶瓷模粉末冶金工藝、尺寸收縮率、致密度、力學(xué)性能等，這些研究內(nèi)容國內(nèi)尚未有研究報道，文中通過數(shù)據(jù)積累指導(dǎo)未來工程化應(yīng)用。

1 實驗材料與方法

陶瓷模粉末冶金工藝試驗了選用鈦合金精密鑄造常用的T-8.5黃蠟、CL-162綠蠟。設(shè)計了長方體、圓柱體1、圓柱體2、典型構(gòu)件共4種蠟?zāi)＃妶D1。蠟?zāi)Ｍ苛厦鎸硬捎孟⊥裂趸惣搬惾苣z，背層采用硅溶膠及鋁礬土工藝；型殼焙燒采用 MTI公司KSL-1700X箱式電阻爐進行焙燒；包套材料選用45#鋼；選用有效內(nèi)徑為750 mm的國產(chǎn)熱等靜壓機進行全致密化處理；粉末構(gòu)件及相同化學(xué)成分的 ZTC4鈦鑄件的金像組織觀察先采用Kroll試劑腐蝕后（腐蝕液成分為4 mL的HF、40 mL的HNO3、56 mL的H2O）；采用 LEICA DMI-3000M 型光學(xué)顯微鏡進行觀察。

圖1 常用蠟?zāi)ig.1 Wax commonly used

上述蠟?zāi)＝?jīng)過清洗劑清洗、干燥后涂掛面層、背層。為保證型殼強度，防止型殼在熱等靜壓過程中破裂，背層涂料層數(shù)根據(jù)蠟?zāi)Ｌ攸c涂掛9～12層，見圖2。待型殼完全干燥后，采用電阻脫蠟爐進行陶瓷型殼脫蠟，脫蠟時間約 1.5 h，至脫蠟口不再有殘余蠟料流出為止。型殼焙燒后見圖3，經(jīng)目視檢查陶瓷型殼外部無裂紋、內(nèi)部面層無脫落，整體完好。

圖2 涂料的型殼Fig.2 Shell coating

圖3 焙燒后型殼Fig.3 De-waxed shell

選用90～150目TC4粉末（旋轉(zhuǎn)電極工藝制備），采用振動方式裝粉，將陶瓷模裝粉口向上垂直置于包套內(nèi)，在包套與陶瓷模之間，填充氧化釔顆粒，待充分振實后將包套封裝處理。全致密化工藝為壓力為120～140 MPa、溫度為890～920 ℃、時間為2～2.5 h。

2 結(jié)果與分析

2.1 粉末構(gòu)件尺寸收縮率

熱等靜壓后取出金屬包套，目視檢查包套完整，未見裂紋，但包套有明顯收縮變形。采用機加工方法將金屬包套剝離，包套內(nèi)陶瓷模見圖4，陶瓷模在熱等靜壓過程中未發(fā)生破裂，得到了原始的完整粉末構(gòu)件見圖5。從以上可以看出，粉末構(gòu)件能精確、完整復(fù)制蠟?zāi)１砻嫣卣?。粉末?gòu)件目視有收縮明顯，但未見扭曲變形，圓度保持良好。

圖4 熱等靜壓后陶瓷殼Fig.4 Shells after HIP

圖5 試驗構(gòu)件Fig.5 Test component

通過測量長方體、扁圓柱、圓柱體、典型構(gòu)件熱等靜壓后尺寸，并與蠟?zāi)３叽绫容^，計算出粉末試驗件不同方向的尺寸收縮率，具體尺寸收縮率見表1，通過表1可以看出，粉末件在包套高度方向上金屬收縮率明顯大于包套水平方向的收縮率。

表1 粉末試驗件不同方向金屬收縮率Tab.1 Metal shrinkage in different directions of powder test parts

2.2 粉末構(gòu)件表面、內(nèi)部質(zhì)量狀況

所有的粉末構(gòu)件經(jīng)過吹砂處理后進行 X射線、熒光滲透檢測，表面、內(nèi)部未見陶瓷顆粒夾雜、裂紋、縮孔、縮松等缺陷。經(jīng)過超聲波檢測，所有粉末構(gòu)件內(nèi)部無裂紋缺陷，表面粗糙度經(jīng)過與粗糙度試塊對比，粉末試驗件表面粗糙度為6.3 μm。

2.3 粉末構(gòu)件及相同成分的鑄件化學(xué)成分對比

粉末構(gòu)件及相同成分的鑄件化學(xué)成分（粉末由該爐鈦合金鑄件的澆道制備而成）見表2?？梢钥闯?，TC4粉末件主要成分元素含量與相同成分的鑄件化學(xué)成分十分接近，但H、O元素含量相對于鑄件含量有所增加。

表2 TC4粉末構(gòu)件及相同成分鑄件化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.2 Chemical composition of TC4 powder components and casting of the same components (mass fraction) %

2.4 致密度

采用阿基米德排水法測量密度，經(jīng)測定粉末構(gòu)件密度為TC4合金理論密度的99.5%，從該數(shù)據(jù)可判定構(gòu)件已完全致密化。

2.5 粉末構(gòu)件與鑄件組織

圖6 ZTC4鑄件組織Fig.6 TC4 Casting structure

圖7 TC4粉末構(gòu)件組織Fig.7 Structure of TC4 powder components

鑄件組織、粉末構(gòu)件組織見圖6和圖7?？梢杂^察出粉末構(gòu)件組織與鑄件組織是兩種截然不同的合金組織，鑄件組織為魏氏體組織：粗大α板條組織，其α片間距約為10 μm，晶界寬度比較粗大，鑄件晶粒尺寸一般在500～900 μm之間，本試驗鑄件的晶粒平均尺寸約為 800 μm。而粉末構(gòu)件組織與傳統(tǒng)鑄造組織、鍛造組織都不相同，其特點為晶界不明顯，晶粒內(nèi)分布著細(xì)小的魏氏體板條α相與相間β相所組成，粉末組織的α板條間距約為4.5 μm，有些晶粒內(nèi)還存在著一些細(xì)小α塊，這些細(xì)小α塊分布極為不均勻，出現(xiàn)了團聚現(xiàn)象，α塊主要分布在晶界上。粉末構(gòu)件晶粒明顯比鑄件的晶粒更小，經(jīng)過測量該構(gòu)件晶粒尺寸約為120 μm左右，其晶界寬度也細(xì)小。

2.6 粉末構(gòu)件與相同成分的鑄件力學(xué)性能

粉末構(gòu)件與其相同化學(xué)成分的鑄件（粉末由該爐鈦合金鑄件的澆道制備而成）室溫力學(xué)性能詳見表3?？梢钥吹椒勰?gòu)件室溫力學(xué)性能數(shù)據(jù)比鑄件高，特別是塑性，基本是鑄件數(shù)值的2倍，本試驗中的粉末構(gòu)件部分室溫力學(xué)性能達(dá)到了TC4鍛件的力學(xué)水平。

表3 粉末構(gòu)件、鑄件室溫力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of powder components and castings at room temperature

3 討論

TC4金屬粉末形成過程是熔融狀態(tài)下，TC4金屬液滴在高速離心力作用下，脫離了母材，邊飛行邊迅速凝固，形成了單個 TC4粉體。粉體顆粒表層與內(nèi)部的凝固速度并非完全一致，粉體外表面冷卻、凝固速度最快，而粉體內(nèi)部冷卻、凝固速度要慢于表面。因而粉體表層由于過高的凝固速度抑制了晶粒生長和組織粗大，這使得粉體表層組織比內(nèi)部組織更加細(xì)小。另外，過高冷卻速度使粉體組織為單一的α'馬氏體組織，而且α'馬氏體非常細(xì)小。當(dāng) TC4粉體在高溫高壓作用下，α'馬氏體首先開始斷裂、分解，最終形成細(xì)小魏氏體板條α相和相間β相。

粉體在高溫高壓作用下，對粉末構(gòu)件整體而言，受到各向同性的壓力，但所有的粉體受到的壓力產(chǎn)生變形并非是完全一致的，直徑越細(xì)小的粉體變形效果越大，另外對于單個粉體顆粒的不同部位，其所受到的變形壓力并不完全一致，這就導(dǎo)致了粉體不同部分具有不同的應(yīng)力和應(yīng)變。粉末顆粒各處的變形情況并不相同，導(dǎo)致形變較大顆粒邊界的局部范圍內(nèi)產(chǎn)生了晶格畸變，產(chǎn)生較為集中的、較大的應(yīng)變能。粉體之間接觸面產(chǎn)生巨大的應(yīng)變，當(dāng)達(dá)到一定變形程度時，粉體沿晶界邊界就完全貼合，實現(xiàn)了粉末構(gòu)件的致密化。粉體的融合是沿著晶界開始的，這部分應(yīng)力、應(yīng)變最大，該處α'馬氏體在應(yīng)變達(dá)到一定程度時，就形成了細(xì)小α塊。粉體內(nèi)部在熱等靜壓過程中由于沒有接觸面，其變形較小，應(yīng)變較小，由于應(yīng)變沒達(dá)到一定程度，粉體內(nèi)部不容易形成細(xì)小α塊。細(xì)小α塊形成機理與鍛造鈦合金中出現(xiàn)的等軸α相類似，但鍛造鈦合金由于各處應(yīng)力、應(yīng)變基本相同，導(dǎo)致鍛造鈦合金組織中細(xì)小等軸α相是均勻分布的，而粉末致密化過程中，由于粉體之間應(yīng)力、應(yīng)變相差較大，導(dǎo)致了細(xì)小α塊容易出現(xiàn)在應(yīng)變較大的地方，即晶界處。這也是粉末構(gòu)件獨特組織形成原因。

粉末之間存在很多空隙，在高溫高壓下，金屬粉末之間接觸面發(fā)生了變形、再結(jié)晶，粉末之間的空隙由于粉末融合而消失。熱等靜壓過程結(jié)束后，金屬構(gòu)件較原始狀態(tài)會發(fā)生了明顯收縮。金屬粉末在不同方向收縮大小不完全一致，如果某個方向上自由收縮越明顯，該方向上金屬粉末變形、收縮越明顯。陶瓷型殼在熱等靜壓過程中，在高溫高壓下都會收縮，陶瓷型殼內(nèi)金屬粉末收縮與陶瓷型殼在包套中放置方向有關(guān)系，陶瓷模裝粉口向上垂直置于包套，此方向上粉體無約束，受力變形最大、收縮就越大。其余方向由于被陶瓷型殼包圍，隨著陶瓷而受阻收縮，這個方向的尺寸收縮率要小于粉體自由收縮率。

雖然粉末顆粒非常細(xì)小，數(shù)量眾多的粉末顆粒具有非常大的表面積，鈦合金粉末顆?；钚暂^高，表面積越大意味著包套裝粉過程中越容易吸附空氣中的O2等氣體。造成粉末表面 O元素含量上升，因此通過控制母合金的 O等元素含量、采用真空裝粉工藝對于預(yù)合金的粉末的質(zhì)量是非常重要的。粉末構(gòu)件中H元素含量也有上升，可能與粉末受到有機夾雜物污染有關(guān)系，需要后續(xù)實驗驗證。

金屬是由內(nèi)部微小晶粒構(gòu)成的多晶體，相鄰的不同取向的晶粒受力產(chǎn)生塑性變形時，在外力作用下，晶界上的位錯塞積產(chǎn)生一個應(yīng)力場，可以作為激活相鄰晶粒內(nèi)位錯源開動的驅(qū)動力[14]。粉末構(gòu)件晶粒細(xì)小，晶界面積大，當(dāng)晶粒受到外力作用產(chǎn)生塑性變形可分散在內(nèi)部的不同晶粒內(nèi)進行，其應(yīng)力集中較??；另外晶界越曲折，越不利于裂紋的擴展。這就是粉末構(gòu)件常溫力學(xué)性能優(yōu)于鑄件的原因。

粉末陶瓷模粉末冶金工藝可得到致密、晶粒細(xì)小均勻、力學(xué)性能良好的構(gòu)件，這種工藝極大改善了構(gòu)件的晶粒均勻度，消除內(nèi)部晶粒間的缺陷和孔隙，提高了材料致密度和強度、塑性，可一次性制備出形狀復(fù)雜構(gòu)件，減少了冶金或切削加工成本，材料的利用率高，該工藝尤其在制造難以成形的材料方面具有很大優(yōu)勢。

文中對粉末陶瓷模粉末冶金工藝進行了初步研究，為其實際應(yīng)用做了有益探索。陶瓷型殼制備是一個非常復(fù)雜的工藝，陶瓷型殼質(zhì)量的好壞將直接影響產(chǎn)品形狀和性能能否達(dá)到設(shè)計要求，也影響后續(xù)全致密化工藝的進行。在確定蠟?zāi)Ｐ颓怀叽鐣r，需要考慮型殼在致密化過程中，金屬粉末的體積將發(fā)生較大收縮，不同方向的尺寸收縮率不同，對于制備難以進行后續(xù)機加工且有一定尺寸精度的零件，必須事先確定陶瓷殼在包套內(nèi)放置方向，并精確計算粉末成形收縮變形量，設(shè)計好蠟?zāi)Ｐ螤詈统叽?，增加合適余量，才能保證粉末構(gòu)件尺寸精度，得到預(yù)期產(chǎn)品。

4 結(jié)論

1) 采用稀土氧化釔面層、硅溶膠鋁礬土背層涂料工藝得到的陶瓷型具有非常好的強度，可用于陶瓷型殼粉末冶金工藝，得到的粉末構(gòu)件表面光潔。

2) 陶瓷模粉末冶金工藝得到的構(gòu)件尺寸收縮率在每個方向上不是均勻的，與陶瓷型殼在包套內(nèi)放置方向、包套放置方向都有關(guān)系。

3) 陶瓷模粉末冶金構(gòu)件晶粒細(xì)小均勻、性能良好，消除了內(nèi)部的缺陷和孔隙，其致密度達(dá)到99.5%。

4) 陶瓷模粉末冶金構(gòu)件的組織是由細(xì)小的魏氏體板條α相與相間β相、等軸α相所組成，等軸α相分布不均勻，主要分布在晶界上。

5) TC4粉末會吸附空氣中O2氣體，造成粉末構(gòu)件的氧含量上升。

6) 陶瓷模粉末冶金構(gòu)件室溫力學(xué)性能優(yōu)于同成分鑄件力學(xué)性能，部分性能達(dá)到了鍛件水平。

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