置氫TC4鈦合金粉末熱等靜壓制件組織與性能研究

田亞強， 侯紅亮， 任學平

(1.河北聯合大學河北省現代冶金技術重點實驗室，河北唐山063009;2.北京航空制造工程研究所，北京100024;3.北京科技大學材料科學與工程學院，北京100083)

鈦合金是20世紀50年代發展起來的一種重要金屬材料，因其具有密度低、比強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點，而被廣泛應用于航空航天、石化、生物工程等領域［1，2］。但鈦合金是典型的難加工材料，其室溫塑性差，冷加工非常困難，導熱性差，彈性模量小，加工硬化嚴重，大大限制了鈦合金的變形工藝和應用;而鈦合金置氫后再加工，是利用了氫的可逆化作用，可重構鈦合金的微觀組織，以提高其加工性能［3～6］。為達到改善制件力學性能的目的，國內外學者提出了一種鈦合金的粉末成形與氫處理技術相結合的工藝，以有效解決鈦合金粉末固結過程中存在的問題［7，8］。

作為一項新發展的近凈成形技術，熱等靜壓工藝過程中的高溫、高壓可以使鈦合金制件內部的封閉氣孔、縮松被壓實閉合，并擴散結合成致密的組織，使制件的缺陷得到修復，從而消除制件內部孔洞類缺陷，提高制件的力學性能［9，10］。因此，本研究將采用置氫TC4合金粉末原料→熱等靜壓→真空退火除氫→鈦合金制件的加工路線，并且保證置氫TC4合金粉末熱等靜壓過程中臨時合金元素氫的可逆合金化作用，也可防止其他元素污染情況的出現，從而達到置氫增效、固結加工改性的目的。

1 實驗材料及方法

實驗采用氫化-脫氫TC4(氫質量分數0.01%)粉末;以及由TC4鈦合金棒材置氫(氫質量分數分別為0.09%，0.18%，0.32%，0.42%，0.46%)后經車削、機械研磨得到的置氫粉末，置氫TC4合金粉末的粒度頻度分布曲線如圖1所示。

圖1 不同置氫量TC4粉末粒度頻度分布曲線Fig.1 Grain size frequency distribution curve of hydrogenated TC4 alloy powder

加工、焊接好φ14 mm×80 mm不銹鋼包套，將置氫TC4預合金粉在振動條件下均勻裝入包套中。封好包套，留除氣口。對裝好粉的包套進行加熱400℃，6 h真空除氣，焊封包套。置氫TC4合金粉末熱等靜壓處理的工藝為:熱等靜壓溫度920℃，熱等靜壓力≥120 MPa，保溫保壓2.5 h，隨爐冷卻至300℃以下出爐。

按照GB/T 5163—1985《可滲透燒結金屬材料—密度的測定》的方法測量置氫TC4粉末熱等靜壓制件密度。將置氫TC4合金粉末熱等靜壓制件在真空熱處理爐中進行真空退火除氫，工藝制度為750℃/7 h，加熱速率控制在25℃/min，打開機械泵后，再開擴散泵，至真空壓強1 Pa時開始升溫，此后真空壓強始終保持低于10-3Pa，最后將試樣爐冷至室溫。

利用德國艾爾特HO900氫氧測定儀，采用化學分析方法檢測真空退火除氫試樣的氫含量。置氫TC4粉末制件相分析采用DMAX-RB12kW旋轉陽極X射線衍射儀，衍射儀使用Cu靶，選用步寬0.02°;功率40 kV，電流150 mA，DS1;SS1。

將除氫后的置氫TC4粉末熱等靜壓制件線切割成尺寸為φ3 mm×6 mm的圓柱壓縮試樣，壓縮試驗在室溫下INSTRON萬能材料實驗機上進行，加載速率為0.0011 1s-1。置氫TC4粉末熱等靜壓制件采用HF，HNO3，H2O(體積比1∶1∶8)混合液進行腐蝕處理，腐蝕時間都為10～20 s，以便于顯微組織觀察。置氫TC4粉末熱等靜壓制件顯微組織在CAMBRIDGE(S-360)型掃描電鏡下觀察。

2 結果分析與討論

2.1 熱等靜壓制件孔隙形貌及密度

圖2為置氫TC4合金粉末熱等靜壓后制件孔隙形貌，圖3是置氫TC4合金粉末熱等靜壓制件密度。由圖2中可知:置氫TC4合金粉末熱等靜壓后制件的孔隙多為單個的、球形封閉孔隙，且孔隙度數量隨置氫量的增加呈逐漸變小趨勢，致密化程度逐漸增加。

由圖3可知:隨著置氫量的增加，置氫TC4合金粉末熱等靜壓后制件的密度呈逐漸增高的趨勢，當置氫量小于0.32%時，置氫TC4合金粉末熱等靜壓后制件的密度與氫化-脫氫TC4粉末熱等靜壓后制件的密度基本接近，且都為4.36 g·cm-3;當置氫量達到0.42%時，置氫TC4合金粉末熱等靜壓后制件的密度增大到最值4.38 g·cm-3，當置氫量達到0.46%時，置氫TC4合金粉末熱等靜壓后制件的密度為4.37 g·cm-3。置氫量0.42%和0.46%時，置氫TC4合金粉末熱等靜壓后制件的密度都明顯高于其他粉末制件的密度，在置氫量0.42%時達到致密化峰值，這是因為置氫量0.42%TC4合金粉末的體積平均粒徑明顯小于其他粉末，且粒度分布范圍較廣，小尺寸顆粒較多，而細粉末顆粒極利于燒結頸的長大及固結成形。

圖3 不同置氫量TC4合金粉末熱等靜壓制件密度Fig.3 Product density of TC4 alloy by hot isostatic pressing using hydrogenated powder

2.2 熱等靜壓制件組織

由圖4置氫TC4合金粉末熱等靜壓后制件金相組織可知:置氫TC4合金粉末熱等靜壓后制件的組織呈片層狀、針狀組織和等軸狀顆粒組織，由亮相α和α相之間暗相β相組成。氫化-脫氫TC4粉末和置氫量0.09%TC4合金粉末熱等靜壓制件組織為片狀和等軸的雙態組織，當置氫量為0.18%時，粉末熱等靜壓制件片層狀組織減少、等軸顆粒組織增多，且隨著置氫量的增加，置氫TC4粉末熱等靜壓制件的片層狀組織尺寸變薄、針狀的組織變細，等軸顆粒組織愈來愈多，當置氫量為0.42%和0.46%時，粉末熱等靜壓制件組織基本為等軸顆粒組織。

圖4 不同置氫量TC4合金粉末熱等靜壓制件金相組織Fig.4 Productmetallographic structure of TC4 alloy by hot isostatic pressing using hydrogenated powder (a)0.01%H;(b)0.09%H;(c)0.18%H;(d)0.32%H;(e)0.42%H;(f)0.46%H

圖5為置氫TC4合金粉末熱等靜壓退火后制件顯微組織SEM。由圖5可知:置氫TC4合金粉末熱等靜壓退火后制件的顯微組織較退火前有了明顯的變化，氫化-脫氫TC4粉末和置氫量0.09%TC4合金粉末熱等靜壓制件組織中片層狀組織尺寸變薄、針狀的組織變細，片層狀組織明顯減少，當置氫量達到0.32%時，粉末熱等靜壓制件顯微組織中近乎全是等軸狀顆粒組織，且隨著置氫量的增加，熱等靜壓退火后制件中等軸狀的顆粒組織形貌越來越明顯，等軸顆粒也愈來愈多。

2.3 熱等靜壓制件退火后力學性能

由圖6置氫TC4合金粉末熱等靜壓制件退火后，壓縮屈服強度σ0.2C、抗壓強度σC和置氫量的關系可知:隨著置氫量的增加，置氫TC4合金粉末熱等靜壓制件退火后壓縮屈服強度和抗壓強度均呈逐漸增大趨勢，其中置氫量0.42%粉末熱等靜壓制件退火后的屈服強度最高。置氫TC4合金粉末熱等靜壓制件退火后抗壓強度均也呈逐漸增大趨勢，其中置氫量0.46%粉末熱等靜壓制件退火后的抗壓強度最高，這與其致密化程度最高、熱等靜壓制件及其真空退火后顯微組織形態、晶粒尺寸及組織均勻化程度等密切相關。

2.4 熱等靜壓制件退火后相分析

置氫量0.46%TC4合金粉末熱等靜壓制件真空退火后試樣，經氫氧檢測得到的氫含量為0.0128 %，符合鈦合金材料標準要求。

圖5 不同置氫量TC4合金粉末熱等靜壓制件退火后顯微組織Fig.5 Microscopic structure of TC4 alloy after annealing by hot isostatic pressing using hydrogenated powder (a)0.01%H;(b)0.09%H;(c)0.18%H;(d)0.32%H;(e)0.42%H;(f)0.46%H

由圖7置氫量0.46%TC4合金粉末熱等靜壓制件及其退火后 XRD比較結果可知:置氫量0.46%TC4合金粉末熱等靜壓制件與粉末原料的相組成基本相近，其合金粉末熱等靜壓制件退火后相組成則發生了明顯的改變，制件組織主要由α相和β相組成，在原始粉末體和模壓成形燒結體中存在的α"相和δ氫化物消失，相組成與氫化-脫氫TC4合金粉末原料的相組成［11］基本相近。因此，置氫TC4合金粉末熱等靜壓制件與粉末原料的的氫含量相近，置氫TC4合金粉末熱等靜壓制件經真空退火后，其氫含量則達到安全濃度。

3 置氫鈦合金粉末熱等靜壓改性機理

一方面，傳統的鈦合金氫處理工藝大多數是將鈦合金的鍛件、鑄件或者燒結件先進行β固溶處理，再滲氫，然后在β轉變點以下時效或者熱加工，最后在較低的溫度真空退火除氫，采用適當的熱處理工藝，可使一些鈦鑄件或者燒結件的綜合力學性能超過相應的鈦鍛件的水平。而本研究提出的置氫TC4合金粉末與熱等靜壓相結合的工藝路線，相當于將鈦合金熱氫處理技術與鈦合金粉末固結過程統一在一起一步實現，相應地取消了鈦合金制粉過程中除氫及其燒結制件后續的熱氫處理環節，同時該工藝保證了固結過程中氫元素不會逸出，而可逆合金化元素氫具有很高的吸附能力和擴散遷移能力，尤其是在β相內的擴散能力更高，對組織結構的形成有著強烈地影響;另一方面，置氫TC4合金粉末熱等靜壓過程中，氫原子在鈦合金中的間隙固溶，造成晶格間畸變能的增加，使得鈦中的空位濃度和位錯增加，從而降低了原子間的結合能，減小了擴散激活能，提高了擴散協調變形能力，增加鈦原子的擴散速率，并且使局部區域軟化，晶體中空位出現的形成能也將降低，顯然，置氫量越大，這種脫位的原子就會越多，空位就越多;此外，由于氫的擴散解析作用和間隙固溶而致鈦中的空位濃度和位錯增加，增大了鈦的表面活性，降低了燒結過程的自由能［5］。

因此，置氫TC4鈦合金粉末熱等靜壓工藝，是利用了微塑性變形和原子擴散實現固結的粉末成形工藝，即利用了氫原子的合金化作用改善了鈦合金粉末本身的物理特性和加工性能，保證了氫元素在固結過程中不逸出，加快了鈦合金粉末原子顆粒的擴散速率實現固結增效效果的，并由此來達到改善粉末固結成形工藝和制件組織性能的目的。

4 結論

(1)置氫TC4合金粉末熱等靜壓后制件的孔隙多為單個的、球形封閉孔隙，且孔隙度數量隨置氫量的增加呈逐漸變小趨勢，致密化程度逐漸增加。隨著置氫量的增加，置氫TC4合金粉末熱等靜壓后制件的組織由片狀和等軸的雙態組織向等軸態組織過渡，當置氫量為0.42%和0.46%時，粉末熱等靜壓制件組織基本為等軸顆粒組織。

(2)隨著置氫量的增加，置氫TC4合金粉末熱等靜壓退火后制件的顯微組織較退火前有了明顯的變化，隨著置氫量的增加，熱等靜壓退火后制件中等軸狀的顆粒組織形貌越來越明顯，等軸顆粒也愈來愈多。當置氫量達到0.32%時，粉末熱等靜壓制件顯微組織中近乎全是等軸狀顆粒組織;置氫TC4合金粉末熱等靜壓制件退火后壓縮屈服強度和抗壓強度均呈逐漸增大趨勢。

(3)置氫量0.46%TC4合金粉末熱等靜壓制件與粉末原料的相組成和氫含量基本相近，其合金粉末熱等靜壓制件退火后相組成則發生了明顯的改變，制件組織主要由α相和β相組成，在原始粉末體和模壓成形燒結體中存在的α"相和δ氫化物消失。置氫TC4合金粉末熱等靜壓制件經真空退火后，其氫含量則達到安全濃度。

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