王 晶，陳 寧，趙 超，宋西平

(北京科技大學 新金屬材料國家重點實驗室，北京 100083)

0 引 言

鈦合金具有密度小、比強度高、耐腐蝕性強、生物相容性好等優(yōu)異性能，因而在航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)療以及體育器材等領域得到廣泛應用。但是鈦合金的切削加工性能較差，給加工成形帶來了困難，主要表現(xiàn)有：鈦合金的導熱系數小，在切削加工過程中熱量難以散失，使切削溫度升高；化學活性高，高溫下易與刀具產生化學反應而出現(xiàn)粘附現(xiàn)象；彈性模量較低，工件加工時回彈較大，易偏離刀具，進而影響加工質量。鈦合金的切削加工性能差，嚴重限制了其廣泛應用，因此開發(fā)新型易切削鈦合金已成為國內外的研究熱點之一[1-9]。

有文獻報道[10-12]，通過在鈦合金中添加一定比例的S、P、Se、Te、Ca或稀土元素，可形成鈦的硫化物、磷化物等夾雜物，顯著提高鈦合金的加工性能，但這些形狀不規(guī)則的夾雜物有損鈦合金的力學性能。通過熱氫處理技術來改善鈦合金的加工性能也有報道[13-16]，但是這種方法需要對樣品進行滲氫和脫氫，工藝復雜不便于實際應用。目前的研究焦點是在不影響鈦合金其他力學性能的基礎上，通過添加第二相以達到改善鈦合金切削加工性能的目的。Cr和Cu是共析元素，高溫下在鈦合金中有一定的固溶度，當冷卻到室溫時會析出TiCr2、Ti2Cu等與基體有一定位向關系的第二相。這些第二相的存在不僅會提高鈦合金的切削性能，還可提高其力學性能。同時，Cr和Cu還是β穩(wěn)定元素，易形成β相，有利于時效強化效應。除此以外，Cr和Cu價格相比稀土元素更低，可顯著降低鈦合金成本。因此，鈦中加入Cr和Cu有望形成高強度、低成本、易切削的鈦合金。然而，目前關于Cr和Cu元素添加對鈦合金組織、力學性能及切削性能的影響還缺少深入的研究。

本研究采用真空粉末燒結法制備了Ti-xCr、Ti-yCu及Ti-xCr-yCu鈦基材料，采用X射線衍射、金相觀察、力學性能測試等方法對其相組成、顯微組織和力學性能進行研究，并對其切削加工性能進行實際測評，為開發(fā)易切削鈦合金提供研究基礎。

1 實 驗

實驗所用的原料為高純Ti粉(≤76.2 μm)、Cr粉(≤76.2 μm)和Cu粉(≤51 μm)。擬制備的鈦基材料名義成分分別為Ti-xCr(x=0, 5, 10, 20, 30)、Ti-yCu(y=0, 5, 10, 20)、Ti-xCr-yCr(x=5,y=5;x=10,y=5;x=5,y=10)(質量分數，下同)。先在電子天平上稱取原料，并在瑪瑙研缽中混合均勻?；旌戏勰┙泦蜗驂耗褐瞥芍睆?0 mm、高5 mm的圓柱坯，壓制壓力為757 MPa。將不同配比的圓柱坯放入真空燒結爐中燒結，真空度為2×10-2Pa，Ti-xCr、Ti-20Cu、Ti-xCr-yCu樣品加熱溫度為900 ℃，Ti、Ti-5Cu、Ti-10Cu樣品加熱溫度為1 000 ℃，保溫時間均為2 h，隨爐冷卻到室溫。

對燒結樣品進行XRD測試，分析其物相組成。采用金相顯微鏡觀察燒結樣品的顯微組織。測量燒結樣品的質量和體積，計算其密度。采用Gleeble 1500熱模擬試驗機進行常溫壓縮實驗，變形速率為1 mm/min，并根據GB/T 7314—87《金屬壓縮實驗方法》，計算燒結樣品的屈服強度。采用儀器化壓入測試儀測定燒結樣品的彈性模量，并由沖壓零件和車削零件的表面加工質量判定燒結樣品的切削加工性能。

2 結果與討論

2.1 物相分析

圖1為900 ℃燒結的Ti-xCr鈦基材料的XRD圖譜。由圖1可見，純鈦由密排六方的α單相組成，當添加質量分數為5%的Cr時，燒結樣品的物相由α-Ti和Ti4Cr組成。Ti4Cr為體心立方晶體結構。當燒結樣品中的Cr含量為10%時，樣品仍由α-Ti和Ti4Cr相組成，但α-Ti相衍射峰的強度明顯降低，而Ti4Cr相的衍射強度明顯增強。當Cr含量增加至20%，Ti4Cr相的衍射峰強度進一步升高，并且樣品中除了含有α-Ti和Ti4Cr相外，還出現(xiàn)了少量的TiCr2相，其衍射峰強度非常小。TiCr2為面心立方晶格結構。Cr含量為30%時，樣品中物相由α-Ti、Ti4Cr、TiCr2及金屬Cr相組成。金屬Cr相的出現(xiàn)，說明當Cr含量過高時，Cr不能全部與鈦形成固溶體或化合物。

圖1 Ti-xCr樣品的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of Ti-xCr samples

在Ti-Cr二元相圖[17]中，并沒有Ti4Cr相存在。但有文獻報道[18]，Ti4Cr相不僅可以在高溫下通過擴散轉變形成，而且可以在溫度降低時從(β-Ti，Cr)相中析出，發(fā)生(β-Ti，Cr)→ Ti4Cr +(α-Ti，Cr)轉變。作者認為，Ti4Cr相是高溫下Cr擴散到β-Ti中，在隨后冷卻過程中沒有發(fā)生晶型轉變而形成的一種亞穩(wěn)定相。Ti4Cr相在有關鈦合金研究的文獻中鮮有報道，因此還需進一步研究。

圖2是1 000 ℃燒結的Ti、Ti-5Cu和Ti-10Cu樣品以及900 ℃燒結的Ti-20Cu樣品的XRD圖譜。從圖2可以看出，1 000 ℃燒結的Ti-5Cu樣品的物相由α-Ti和Ti2Cu組成。Ti2Cu是體心四方晶體結構，熔點較低，990 ℃時即可熔化。當Cu含量較少時，Ti2Cu的衍射峰相對強度較弱；當Cu的質量分數增加至10%時，燒結樣品的物相組成沒有發(fā)生變化，但Ti2Cu衍射峰的相對強度增強；當Cu含量進一步增加到20%時，燒結樣品發(fā)生了熔化現(xiàn)象。Ti-20Cu樣品經900 ℃燒結后，仍由α-Ti和Ti2Cu兩相組成，Ti2Cu衍射峰的相對強度較高，說明含Cu鈦基材料的物相基本為α-Ti和Ti2Cu相。

圖2 Ti-yCu樣品的XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of Ti-yCu samples

圖3為900 ℃燒結的Ti-xCr-yCu樣品的XRD圖譜。從圖3可以看出，含Ti-5Cr-5Cu樣品的物相由α-Ti、Ti4Cr和Ti2Cu組成；增加Cu、Cr元素的含量，樣品中的物相組成保持不變，但α-Ti相的衍射峰相對強度降低，而Ti4Cr和Ti2Cu相的衍射峰的相對強度增高。

圖3 Ti-xCr-yCu樣品的XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of Ti-xCr-yCu samples

2.2 顯微組織

2.2.1 Cr含量對顯微組織的影響

Ti-xCr樣品的顯微組織如圖4所示。從圖4可以看出，含Cr鈦基材料的顯微組織主要為等軸組織。當Cr含量為5%時，部分等軸組織內部出現(xiàn)了片狀組織。隨著Cr含量增加，片狀組織減少，但在晶界析出的第二相增多(灰色顆粒)。結合XRD結果可知，晶界析出的第二相主要為Ti4Cr相(圖4a～c箭頭處)。當Cr含量為30%時，組織中出現(xiàn)了金屬單質Cr相。圖4d中亮度較高的白色部分(箭頭處)即為金屬Cr相。

圖4 Ti-xCr樣品的顯微組織Fig.4 Microstructures of Ti-xCr samples：(a)x=5;(b)x=10;(c)x=20;(d)x=30

2.2.2 Cu含量對顯微組織的影響

Ti-yCu樣品的顯微組織如圖5所示。燒結溫度為1 000 ℃時，Ti-5Cu的顯微組織由粗大的α層片和分布其間的Ti2Cu組成，層片厚度為20 μm左右(圖5a)。Cu含量增加至10%時，組織明顯細化，層片厚度減小(圖5b)。這主要是由于Cu含量的增加使樣品發(fā)生共析轉變，析出了Ti2Cu相，Ti2Cu相阻礙了α層片的生長。圖5b中的黑色點狀物為燒結空洞。在900 ℃燒結的Ti-20Cu樣品為典型的兩相共析組織，析出相呈規(guī)則排列(圖5c)。由于Cu為快共析元素，因此樣品隨爐冷卻后室溫顯微組織的尺寸、形態(tài)變化對Cu含量非常敏感。

2.2.3 Cr和Cu元素對顯微組織的影響

Ti-xCr-yCu樣品的顯微組織如圖6所示。根據以上對Ti-xCr和Ti-yCu樣品的分析可知，Ti-xCr-yCu的顯微組織是慢共析元素Cr和快共析元素Cu共同作用的結果。Ti-5Cr-5Cu樣品的微觀組織為典型的網籃狀組織(圖6a)。該顯微組織與Ti-yCu樣品的顯微組織比較接近，說明在Cr與Cu元素含量相同時，Cu元素對合金組織的作用較大。這主要是因為鈦銅的共析反應速度較快且共析溫度較高(790 ℃)，而鈦鉻的共析轉變較慢且共析溫度較低(667 ℃)。Ti-10Cr-5Cu樣品的顯微組織由網籃組織和少量的等軸晶組成(圖6b)。由于含Cr樣品易于形成細小的等軸組織，因此增加Cr元素至10%時樣品中出現(xiàn)了部分的等軸組織。Ti-5Cr-10Cu樣品的顯微組織為更加細密的網籃狀組織(圖6c)，說明Cu元素含量增加利于層片組織細化。

圖5 Ti-yCu樣品的顯微組織Fig.5 Microstructures of Ti-yCu samples：(a)y=5；(b)y=10；(c)y=20

圖6 Ti-xCr-yCu樣品的顯微組織Fig.6 Microstructures of Ti-xCr-yCu samples:(a)x=5,y=5;(b)x=10,y=5;(c)x=5,y=10

2.3 壓縮性能與燒結密度

Ti-xCr鈦基材料的壓縮屈服強度和燒結密度隨Cr含量的變化曲線如圖7所示。從圖7可以看出，未添加Cr元素的Ti粉末在同等工藝條件下燒結后的壓縮屈服強度為452 MPa，隨著Cr含量的增加，Ti-xCr燒結樣品的壓縮屈服強度先增大后減?。篢i-5Cr樣品的壓縮屈服強度為651 MPa；當Cr含量增至10%時，壓縮屈服強度最高，達到710 MPa；Cr含量增加至20%和30%時，燒結體的壓縮屈服強度明顯降低，分別為389 MPa和365 MPa。隨Cr含量的增加，燒結體密度由3.96 g/cm3提高到4.18 g/cm3，且高于同等條件下純鈦的燒結密度，說明加入Cr元素有利于提高鈦基材料的致密度。Ti-xCr鈦基材料的壓縮性能主要由3方面因素所控制：合金致密度、顯微組織及Cr元素含量。分析認為，由于Cr含量較高的樣品(Ti-20Cr、Ti-30Cr)中共析轉變析出的TiCr2相較多且多在晶界處偏聚，降低了晶界強度，因此會大幅降低材料的強度，從而劣化試樣的力學性能。

圖7 Ti-xCr樣品燒結密度及壓縮屈服強度隨Cr含量變化曲線Fig.7 Curves of sintered density and yield strength with the Cr content of Ti-xCr samples

Ti-yCu鈦基材料的壓縮屈服強度和燒結密度隨Cu含量的變化曲線如圖8所示。從圖8中屈服強度曲線的變化趨勢可以看出，1 000 ℃燒結時，純鈦的屈服強度為725 MPa。當Cu含量為5%時，燒結體的屈服強度最高，達到834 MPa。Cu含量增加至10%時，合金的強度降至669 MPa。900 ℃燒結的Ti-20Cu合金的屈服強度最低，為536 MPa。從燒結密度的變化曲線上可知，Cu元素的加入顯著提高了樣品的燒結密度。1 000 ℃下，Ti-5Cu樣品的燒結密度為4.36 g/cm3；Ti-10Cu樣品的燒結密度達到4.41 g/cm3。900 ℃下，Ti-20Cu樣品的燒結密度達4.64 g/cm3。Cu含量增大引起的致密度升高與Cu的熔點較低有關。在高溫下，Cu原子擴散速度快，有利于燒結體的致密化。但是，燒結體的密度升高，強度卻很低，這主要是由于添加Cu元素后，合金在共析轉變時析出了大量Ti2Cu。Ti2Cu為脆性相，當含量較少時，可以起到彌散強化的作用，而當含量較多時，將對燒結體的強度產生不利影響。

圖8 Ti-yCu樣品燒結密度及壓縮屈服強度隨Cu含量變化曲線Fig.8 Curves of sintered density and yield strength with the Cu content of Ti-yCu samples

Ti-xCr-yCu鈦基材料的壓縮屈服強度和燒結密度隨Cr、Cu含量的變化如圖9所示。從圖9可以看出，Ti-10Cr-5Cu和Ti-5Cr-10Cu合金的密度較高，均為4.33 g/cm3；而Ti-5Cr-5Cu的密度較低，為4.25 g/cm3。對比3種合金的壓縮性能，Ti-5Cr-10Cu樣品的屈服強度最高，達到889 MPa，其次是Ti-5Cr-5Cu樣品，屈服強度為795 MPa，Ti-10Cr-5Cu樣品的屈服強度最低，為687 MPa。從壓縮性能的對比分析可得，添加Cu元素有利于Ti-xCr-yCu鈦基材料強度的提高。這主要是因為Cu含量較高時，燒結體的組織趨于形成細密的網籃狀組織，而Cr含量相對較高時，燒結體易于形成等軸組織。一般來講，網籃狀組織的強度高于等軸組織。因此可以適當的增加Cu含量而降低Cr含量以提高鈦基材料的強度。

圖9 Ti-xCr-yCu樣品的密度及壓縮屈服強度曲線Fig.9 Curves of sintered density and yield strength of Ti-xCr-yCu samples

2.4 彈性模量

表1為燒結樣品的彈性模量。從表1可以看出，隨著Cr含量的增加，燒結樣品的彈性模量逐漸降低，最低可達25 GPa。添加Cu元素的樣品在1 000 ℃燒結時，其彈性模量與同條件燒結的純鈦樣品的彈性模量相當，而在900 ℃燒結時其彈性模量大幅下降，降低到了57 GPa。同時添加Cr和Cu元素的Ti-5Cr-5Cu、Ti-10Cr-5Cu和Ti-5Cr-10Cu樣品，彈性模量分別為77、61、81 GPa，均低于純鈦樣品。綜上可知，Cr元素添加量以及燒結溫度對鈦鉻銅鈦基材料的彈性模量有顯著影響，其原因可能與純鈦中溶入β穩(wěn)定元素(Cr、Cu)以及析出大量的第二相有關。添加β穩(wěn)定元素可以改變鈦合金中的d電子濃度，進而影響到其彈性模量的大小[19]，而第二相對彈性模量的影響可能與其對屈服強度的影響有關，具體原因還需進一步分析。

表1燒結樣品的彈性模量

Table 1 Elastic modulus of sintered samples

2.5 切削加工性能

圖10為用含Cr鈦基材料制成的沖壓零件。從圖10可以直接觀察到，由純鈦制成的沖壓件(圖10a)表面稍有翹曲，沖孔周圍有凸起和毛刺，成形效果差；當Cr含量為5%時，沖壓件(圖10b)表面平整，沖孔形狀規(guī)則，成形效果較好；Cr含量為10%時，沖壓件(圖10c)發(fā)生開裂；Cr含量為20%時，沖壓件(圖10d)開裂現(xiàn)象更嚴重。由此可見，Ti-5Cr樣品具有較好的成形性。

圖10 Ti-xCr樣品的沖壓零件Fig.10 Stamping parts of Ti-xCr samples：(a)x=0;(b)x=5;(c)x=10;(d)x=20

圖11為純鈦及Ti-5Cr圓棒試樣車削加工表面照片。從圖11可以看出，Ti-5Cr樣品的表面光潔度優(yōu)于純鈦樣品，也說明Ti-5Cr樣品具有較好的加工性能。

圖11 純鈦和Ti-5Cr樣品的車削表面照片F(xiàn)ig.11 Photo of working surface of Ti and Ti-5Cr samples

3 結 論

(1)Ti粉中添加Cr粉后在900 ℃燒結，樣品主要由α-Ti和Ti4Cr相組成。隨著Cr含量增加，依次出現(xiàn)了TiCr2及金屬Cr相。燒結樣品顯微組織由等軸組織和片狀組織組成，隨著Cr含量的增加，片狀組織減少。增加Cr含量可提高鈦基材料的燒結密度，但壓縮屈服強度呈現(xiàn)出先增后降的趨勢，最高壓縮屈服強度為710 MPa。添加Cr元素有利于降低鈦基材料的彈性模量，最低可達25 GPa。

(2)添加Cu元素的樣品在1 000 ℃燒結后，主要由α-Ti和Ti2Cu相組成。燒結樣品顯微組織為層片狀組織，隨著Cu含量增加，層片狀組織細化。增加Cu含量可明顯提高鈦基材料的燒結密度，但會降低壓縮屈服強度。Ti-5Cu樣品的壓縮屈服強度為834 MPa。降低燒結溫度可致彈性模量降低。

(3)添加Cr和Cu的鈦基材料由α-Ti、Ti4Cr、Ti2Cu相組成。Ti-5Cr-5Cu樣品為網籃狀組織，隨Cu含量的增加，網籃組織中的層片變細；隨Cr含量的增加，組織中等軸狀組織增多。添加少量Cu有利于提高鈦基材料的強度，添加Cr有利于降低鈦基材料的彈性模量。

(4)添加Cr有利于改善鈦基材料的加工性能。Ti-5Cr樣品具有較佳的切削加工性能。