正交法研究添加Y2O3對Ti-6Al-4V合金組織與性能的影響

羅鐵鋼，王昆昆，符乃科,李 志

(1. 廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510650)(2. 南昌航空大學，江西 南昌 330038)

鈦及鈦合金具有密度低、比強度高、耐腐蝕性好和生物相容性優良等優點，被應用于航空航天、石油化工、生物醫療等領域[1]。但由于鈦及鈦合金機加工困難，限制了其更廣泛的應用[2]。采用粉末冶金技術可實現鈦及鈦合金的近凈成形制備，降低加工難度和生產成本，是拓展鈦及鈦合金應用的重要途徑之一。

放電等離子燒結(spark plasma sintering，SPS)是粉末冶金技術中的一個重要方法，它通過在粉末內通入脈沖電流使顆粒之間放電，瞬間產生局部高溫，從而實現材料燒結，具有升溫速率快、燒結時間短、組織結構可控等優點，尤其在制備高致密度、均勻、細晶材料方面有獨特的優勢[3-4]。添加稀土元素能改變鈦合金的微觀結構,從而改善其性能，如Y、 La、Ce、Pr、Nd、Pm等被用來提高鈦合金的韌性、強度及抗腐蝕能力[5-6]。因此，研究采用SPS技術制備鈦及鈦合金時，稀土元素的作用機制及SPS燒結工藝對其性能的影響規律，對于獲得高性能鈦及鈦合金制品具有很好的指導意義。

正交實驗是優化工藝設計的主要方法之一[7-8]，它能通過少量實驗有效確定出影響鈦合金燒結密度和力學性能的關鍵因素，通過對實驗結果分析，可以揭示鈦合金燒結密度及力學性能與各因素不同水平的關系[9]，從而實現對鈦合金性能的調控。因此，本研究采用正交實驗探究Y2O3含量對Ti-6Al-4V合金組織、燒結密度、力學性能的影響，旨在應用SPS技術制備接近全致密的Ti-6Al-4V合金，得到最佳的燒結工藝，并揭示其影響規律，為拓展鈦及鈦合金的應用提供借鑒。

1 實 驗

實驗所用Ti-6Al-4V合金粉(粒徑15～45 μm)和Y2O3粉均為市購，其SEM形貌如圖1所示。分別取一定量的Y2O3和Ti-6Al-4V合金粉，采用V型混料器混料2 h，得到含有0.2%、0.6%和0.8%(質量分數，下同)Y2O3的Ti-6Al-4V合金粉。將混合好的粉末置于SPS-30型燒結爐中進行燒結。采用正交實驗研究以下工藝參數對燒結Ti-6Al-4V合金致密度及力學性能的影響:(A)燒結溫度；(B)燒結壓力；(C)保壓時間；(D)Y2O3含量。由于燒結爐的額定壓力值為60 MPa，額定溫度為1 300 ℃，參考前期的實驗經驗，設定的正交實驗因素和水平見表1。

圖1 Ti-6Al-4V合金粉和Y2O3粉的SEM照片Fig.1 SEM images of Ti-6Al-4V alloy powders(a) and Y2O3 powders(b)

按表2所示L9(34)正交實驗方案進行試樣燒結。燒結樣品用線切割取樣，加工成φ3.5 mm×5.3 mm的圓柱壓縮試樣。采用島津SHIMADZU AG-X電子萬能試驗機進行室溫壓縮試驗。采用JEM-2100F透射電鏡(TEM)觀察鈦合金組織和Y2O3顆粒的界面結合情況。采用JXA-8100掃描電鏡(SEM)和光學顯微鏡觀察燒結試樣的顯微組織。采用阿基米德排水法測量燒結試樣的密度。

表1正交實驗的因素和水平

Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments

表2L9(34)正交實驗方案

Table 2 L9(34) orthogonal design of experiments

2 結果與討論

2.1 顯微組織

圖2為不同方案燒結的Ti-6Al-4V合金金相照片。從圖2可以看出，不同方案燒結的合金組織均為粗片層狀的β轉變組織，在晶內的片層α鈦相互交錯形成網籃組織，在晶界處存有排列方向一致的α集束；且隨著燒結溫度升高，α集束逐漸減少。

圖3為1 200 ℃下燒結的不同Y2O3含量的Ti-6Al-4V合金背散射電子像。因Y元素的相對原子質量比鈦合金中的其他元素都大，因此圖中亮點為Y2O3顆粒，通過能譜分析也證實了這一點。從圖3可以看出，多數Y2O3顆粒呈橢圓形，也有少部分呈長棒狀，且隨著含量的增多，分布依然比較均勻，并未出現聚集析出現象。在圖3a、b中可以很明顯的看到有許多縱橫交錯的β轉變組織。

圖2 不同方案燒結的Ti-6Al-4V合金金相照片Fig.2 Metallographs of Ti-6Al-4V alloy prepared by different experiments:(a)experiment 3；(b)experiment 6； (c)experiment 9

圖3 不同Y2O3含量的Ti-6Al-4V合金背散射電子像Fig.3 EBSD images of Ti-6Al-4V alloy with different Y2O3 content:(a)0.2%； (b)0.6%； (c)0.8%

圖4為1 200 ℃燒結的Ti-6Al-4V合金(Y2O3含量為0.8%)TEM照片。從圖4可以看出，Y2O3顆粒呈橢圓形鑲嵌在α和β鈦晶界處，且Y2O3顆粒與Ti-6Al-4V基體界面結合緊密，這說明1 200 ℃時， Y2O3顆粒與Ti-6Al-4V基體界面具有很高的結合強度。

圖4 1 200 ℃燒結的Ti-6Al-4V合金TEM照片Fig.4 TEM image of Ti-6Al-4V alloy sintering at 1 200 ℃

2.2 燒結密度和力學性能

表3為不同實驗方案燒結的Ti-6Al-4V合金的密度及壓縮強度。從表3可以看出，方案9所得Ti-6Al-4V合金的燒結密度最高，方案7所得Ti-6Al-4V合金的壓縮強度最高。

表3不同方案燒結的Ti-6Al-4V合金的密度和壓縮強度

Table 3 Density and compressive strength of Ti-6Al-4V alloys under different experiments

2.2.1 燒結密度

表4為Ti-6Al-4V合金燒結密度的L9(34)正交實驗結果極差分析。從表4可以看出，4個因素(燒結溫度、壓力、保壓時間、Y2O3含量)對Ti-6Al-4V合金燒結密度的影響程度各有不同，從大到小依次為燒結溫度、壓力、Y2O3含量和保壓時間。Y2O3含量對Ti-6Al-4V合金燒結密度的影響不大，這是因為在1 100 ℃燒結時Ti-6Al-4V合金已比較致密，沒有明顯的孔隙，其中在A3B3C2D1或A3B3C2D2燒結條件下的密度最高，但A3B3C2D2實驗條件該組合未出現在正交實驗中，故采用式(1)和式(2)估算相應的指標值。

(1)

(2)

表4鈦合金燒結密度的L9(34)正交實驗結果極差分析(g·cm-3)

Table 4 Analysis of L9(34) orthogonal experiments results of density of Ti-6Al-4V alloys

2.2.2 力學性能

表5為Ti-6Al-4V合金壓縮強度的L9(34)正交實驗結果極差分析。從表5可以看出，4個因素對Ti-6Al-4V合金壓縮強度的影響程度各有不同，從大到小依次為燒結溫度、Y2O3含量、壓力和保壓時間。Y2O3含量對Ti-6Al-4V合金力學性能的影響僅次于燒結溫度，這是因為在1 100 ℃時Ti-6Al-4V合金已接

表5Ti-6Al-4V合金壓縮強度的L9(34)正交實驗結果極差分析(MPa)

Table 5 Analysis of L9(34) orthogonal experiments results of mechanical properties of Ti-6Al-4V alloys

近全致密，加入Y2O3顆粒并不會對其密度有顯著影響，而Y2O3顆粒的加入會阻斷β鈦的生成，并且釘扎在β鈦處(見圖4)，阻礙β鈦的滑移，從而提高Ti-6Al-4V合金的壓縮強度。從表5可以得出，在A3B3C3D2燒結條件下的壓縮強度最大，但該組實驗未出現在正交試驗中，采用式(1)和式(2)估算相應的指標值。

由于采用阿基米德法測量密度時可能會產生一定的誤差，故本實驗沒有選擇較高的顯著水平，而是選擇α=0.05，查表可得F0.05=19.0。通過計算，各因素對鈦合金力學性能的偏差分析結果見表6。從表6可知，燒結溫度對Ti-6Al-4V合金壓縮強度有顯著影響，其他3因素對壓縮強度的影響不大。

表6各因素對Ti-6Al-4V合金壓縮強度的偏差分析結果

Table 6 Deviation analysis results of various factors on mechanical properties of Ti-6Al-4V alloys

2.3 最佳燒結參數

表7為極差分析法優選結果。從表7可見，燒結溫度對密度和力學性能的影響最大。在1 200 ℃燒結時，Ti-6Al-4V合金的密度最大，壓縮強度也最高，因此燒結溫度選擇1 200 ℃。而對密度來說，Y2O3對Ti-6Al-4V合金的密度影響程度不大，但對力學性能的影響程度較大，僅次于溫度，這是因為在燒結過程中Y2O3合理阻礙了β鈦的生長，起著釘扎的作用。根據表7，Y2O3含量為0.6%時，密度和壓縮強度的最佳燒結壓力均為50 MPa。這是因為在1 100～1 200 ℃區間內Y2O3顆粒需要借助溫度和壓力與Ti-6Al-4V合金基體緊密結合，所以壓力選擇50 MPa。而對于保壓時間的選擇，因其對壓縮強度的影響最小，因此在計算各因素對Ti-6Al-4V合金力學性能的偏差分析時把保壓時間作為誤差項，故以最大密度的保壓時間為準，為5 min。

表7極差分析法優選結果

Table 7 Prefered results of range analysis

由表4、表5和表7可知，隨著燒結溫度的升高，燒結樣的密度和壓縮強度逐漸增大，且在Y2O3含量為0.6%時壓縮強度最高。根據極差法優選出的工藝參數為燒結溫度1 200 ℃、壓力50 MPa、保壓時間5 min、Y2O3含量0.6%，此時燒結樣的密度和壓縮強度分別達到4.413 8 g/cm3、1 881.4 MPa。按此工藝獲得的Ti-6Al-4V合金壓縮強度與宋紫薇[10]用熱壓法制備的鈦鋁合金相當，略低于張長江[11]以鑄造方式制備的Ti-6Al-2.5Sn-4Zr-0.7Mo-0.3Sn-0.3Y合金，但塑性高于以鑄造方式制備的Ti-6Al-4V合金。

2.4 性能對比

圖5為在溫度1 200 ℃、壓力50 MPa、保溫時間5 min條件下得到的不含Y2O3的Ti-6Al-4V合金金相照片。由圖5可以看出，未添加Y2O3的Ti-6Al-4V合金組織為晶間α+全片層β轉變組織，而添加Y2O3后的組織為細片層β轉變組織(圖2)。

圖5 不含 Y2O3的Ti-6Al-4V合金金相照片Fig.5 Metallograph of Ti-6Al-4V alloy without Y2O3

經測量，0.6% Y2O3的Ti-6Al-4V合金壓縮強度為1 881 MPa，相比同等條件下不含Y2O3的Ti-6Al-4V合金的壓縮強度(1 625 MPa)提高了15.7%。

3 結 論

(1)通過正交實驗，得到Ti-6Al-4V合金的最佳燒結工藝參數為:燒結溫度1 200 ℃、壓力50 MPa、保壓時間5 min、Y2O3含量0.6%。在該條件下燒結樣的密度和力學性能較高，分別達到4.413 8 g/cm3、1 881.4 MPa，相比未添加Y2O3的Ti-6Al-4V合金壓縮強度提高15.7%。

(2)影響Ti-6Al-4V合金燒結密度的因素從大到小依次為燒結溫度、壓力、Y2O3含量、保壓時間；影響力學性能的因素從大到小依次為燒結溫度、Y2O3含量、壓力、保壓時間。添加Y2O3顆粒會阻斷β鈦的生成，并且釘扎在β鈦處，阻礙β鈦的滑移，因此能夠提高Ti-6Al-4V合金的壓縮強度。