稀土元素Y對粉末冶金制備鈦鋁合金組織和性能的影響

裴穎脫，張海禮

（1.天津工業職業學院，天津 300400；2.凌源鋼鐵股份有限公司，遼寧 凌源 122500）

作為一種優良的耐高溫結構材料，鈦鋁合金在航天工程及發動機等領域的應用十分廣泛。實踐過程中，鈦鋁合金可承受溫度達到900℃以上，并且質地較輕，硬度及比強度普遍較高，其充分的滿足了人們的生活生產需要。鈦鋁合金制備過程中，粉末冶金制備法是其制備的重要手段，該制備過程中，保溫溫度及保溫時間會對鈦鋁合金的組織結構造成一定影響：一旦保溫時間較長且溫度較高，則鈦鋁合金的晶粒會隨著增大，而稀土元素Y的添加能夠有效的避免這一現象的發生，文章由此展開分析。

1 粉末冶金制備鈦鋁合金工藝

粉末冶金是當前鈦鋁合金制備的常用工藝之一。其以單質粉或合金粉末為基本的冶煉材料，在綜合配比的控制下，對基礎材料進行壓制成型、固化燒結及熱處理工藝應用，從而實現了金屬或非金屬材料的有效獲取。就鈦鋁合金制備過程而言，一次成型是其制備的主要特征所在。并且隨著制備工藝的不斷成熟，粉末冶金制備鈦鋁合金工藝有進一步細分為元素粉末法和預合金粉末法（如圖1）。

圖1 粉末冶金制備鈦鋁合金應用

結合工業生產現狀，粉末冶金制備鈦鋁合金的工藝應用具有以下優勢：其一，該工藝制備下的鈦鋁合金具有較小的纖維組織，其充分保證了材質的力學性能突出。其二，與其它合金制備工藝相比，粉末冶金制備鈦鋁合金的成分較為均勻，其有效的避免了材質疏松、偏析等現象的發生。其三，單質粉及合金粉末是鋁鈦合金制備的基本材料，較為松散、均勻的基礎材質，使得高熔點合金元素或第二相粒子制備復合材料的添加更加便捷，其有效的滿足了合金材料的結構要求、力學性能指標和耐熱性能。其四，一次成型的特征使得粉末冶金制備鈦鋁合金的工藝較為簡單，其充分滿足了工業市場的應用需要，具有較為優良的實踐應用價值。

2 鈦鋁合金的組織及性能分析

2.1 鈦鋁合金的組織特征

鈦鋁合金制備過程中，進行熱處理的溫度區間具有差異性，由此也導致了其合金組織結構的不同，一般情況下，全層面組織、雙態組織、近層片組織、近γ組織是鈦鋁合金較為常見的四種結構組織形態。

2.2 鈦鋁合金的力學性能

實現材料力學性能提升是合金生產的重要目標。實踐過程中，合金硬度、壓縮性能、抗彎性能等都是合計材料力學性能把控的重要指標。就鈦鋁合金而言，維氏硬度值是其材料硬度表達的基本方式，并且該表達過程會受到材料尺寸、相結構、硬度打點位置等多個因素的影響。另外，凝固溫度梯度、摻入合金元素類型及分量等都會對鈦鋁合金的硬度造成影響。如 V、Cr、Co、Fe等元素加入后，V-TiAI的硬度明顯高于其它合金，同時Fe-TiAi合金的硬度最小。而在加入元素含量上，一旦鋁元素的含量到達54%，則制備合金的硬度最低，當鋁元素含量高于該指標值時，合金硬度有所提升。壓縮性能是合金強度和塑性的綜合反映，研究表明，鈦鋁合金的抗壓強度與圧縮溫度呈現出反比例關系，即圧縮溫度溫度升高，抗壓強度會逐漸降低。就鈦鋁合金而言，其在室溫狀況下的抗壓強度可達到2000 MPa，而一旦圧縮溫度升高，其抗壓強度僅為1300 MPa。

3 稀土元素Y摻加下的鈦鋁合金組織及性能分析

新經濟形態下，人們對鈦鋁合金的應用提出了較高的質量要求，其不僅要有良好的指導、強度及耐熱性能，更要在抗彎強度和合金塑性等方面進行有效改善。基于此，在粉末冶金制備鈦鋁合金過程中，進行稀土元素的添加已成為其冶煉技術提升的重要手段。

3.1 稀土元素Y摻加下的鈦鋁合金制備

為實現稀土元素Y摻加對鈦鋁合金制備影響的有效分析，可在真空熱壓燒結法的應用下，對鈦鋁合金制備的過程加純Al粉、TiH2粉及YH2粉，然后實現不同 Y 量 Ti-45Al-xY（x=0，0.3，0.8）（at.%）合金的制備。然后系統分析其組織結構及力學性能的變化。需要注意的是，在鈦鋁合金制備過程中，制備樣品所虛的粉末數量是其控制的重點所在，本次影響因素檢測過程中，其樣品粉末量的應用滿足以下條件（如表 1）。

表1 稀土元素摻加下鈦鋁合金制備樣品所需粉末量g

3.2 稀土元素Y摻加下的鈦鋁合金組織

鈦鋁合金制備過程中，其鋁粉及TiH2的原始組織結構為立方晶型，而YH2粉末除了立方晶性還有少量的密排六方晶型YH3，在傳統制備工藝中，受員材料特性等因素的影響，其合金的組織形式表現為全層面組織、雙態組織、近層片組織、近γ組織四種形態，差異化的結構表現形式使得合計γ相的晶粒結合差異明顯。而在稀土元素Y摻加作用下，Ti-45Al的Y摻加量為零時，γ+α2片層晶團和等軸γ晶粒是其結構的基本組成，其整體表現為近片層組織；而當Ti-45Al的Y摻加量為0.3及0.8時，其雖然具有一定的YAl2和Y203成分，當材質整體仍然為γ+α2片層晶團和等軸γ晶粒，且富Y相作用明顯，故結構組織也為近片層組織。由此可見，鈦鋁合計制備過程中，稀土元素Y可以促進γ相的有效生成。

3.3 稀土元素Y摻加下的鈦鋁合金性能

合金制備過程中，隨著保溫時間及保壓壓力的不斷增加，合金的致密性能夠得到有效保證。就不摻加稀土元素Y的粉末冶金鈦鋁合金制備顧聰而言，晶粒度、合金相比例及組織均勻性等指標都會對合金的性能造成影響。而當保溫溫度及保溫時間一定是，保壓壓力是人們鈦鋁合金生產質量控制的額關鍵所在。傳統制備模式下，在合理控制升溫速度和降溫速度的基礎上，要實現合金材料的有效生產，其就必須確保其保溫溫度處于1400℃，同時保溫時間需控制在90min，另外保溫壓力需以42MPa為基準。

稀土元素Y摻加下，鈦鋁合金的晶粒和內部片層組織被進一步細化，同時合金內有得以有效凈化。實踐過程中，可以在公式ρ＝3.8x+（1-x）×4.2的支撐下，實現合金理論密度的有效計算。在稀土元素Y摻加下，鈦鋁合金的密度得以有效增強。具體而言，在稀土元素Y添加以后，合金的晶粒尺寸細化到了401ma；同時，其片層晶團內層片細化達到lgm；此外，在不斷增加元素Y含量的同時，合金的晶粒和7+a2片層晶團內部層片組織得到細化，其使得合金性能得以有效提升。研究表明，當稀土元素Y的含量達到合金制備材料0.8%時，其制備鈦鋁合金的性能處于最佳狀態。

4 結語

稀土元素Y摻加對于粉末冶金制備鈦鋁合金的工藝應用具有重大影響。實踐過程中，冶金從業人員只有明確粉末冶金制備鈦鋁合金工藝原理，并在把控稀土元素Y摻加對制備過程影響的基礎上，進行較高質量的制備技術應用。才能確保粉末冶金制備鈦鋁合金工藝的成熟，進而實現合金組織和性能的進一步優化。