真空脫氣對粉末冶金Ti2AlNb合金力學性能的影響

吳 杰，姚利盼，盧正冠，李一平，崔瀟瀟，徐 磊

(1. 中國科學院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016)(2. 中國航發四川燃氣渦輪研究院，四川 成都 610500)

近年來，隨著航空工業的發展，輕質高強Ti2AlNb合金成為國內外先進航空發動機復雜構件的優選材料之一[1-3]。航空發動機復雜構件通常采用精密鑄造或鍛造+機加工工藝成形。Ti2AlNb合金的合金化程度高(高熔點Nb元素質量分數超過40%)，化學活性強，幾乎能與所有坩堝材料發生反應，精密鑄造難度極大，而且冶金缺陷會隨機出現，對模殼的制備、穩定性控制、料漿壽命、導熱性控制提出了巨大挑戰。若利用分體鍛造—數控加工—焊接工藝制造Ti2AlNb合金復雜構件，一方面，內部型腔的焊瘤無法徹底去除，會影響氣動效率；另一方面，由于焊縫與母材的顯微組織和綜合力學性能存在差異，會造成組件安全系數降低[4-6]。粉末冶金近凈成形又稱“粉末鑄造”，在歐美等地被稱為“精密鑄造”的升級版，能夠徹底解決精密鑄造存在的縮孔、疏松、成分偏析等技術難題以及鍛件焊接困難等諸多問題[7-9]。

目前，對粉末冶金工藝制備Ti2AlNb合金的研究主要集中在熱等靜壓工藝參數(時間、溫度、壓力)、后續熱處理制度對材料性能的影響等方面，而針對粉體材料本身特性對粉末合金性能影響的研究較少，比如材料表面狀態、粉體本身質量等[10,11]。Ti2AlNb粉末既可以用于有缺陷鑄件的補焊，也可以采用先進的材料制備技術如機械合金化、粉末熱等靜壓、放電離子燒結、自蔓延高溫合成、增材制造等方法將其制備成塊體材料。粉末的化學成分、幾何形態特性、粒度分布、流動性、表面性能等基本特性會顯著影響塊體材料的服役性能。粉末冶金近凈成形過程中，粉末在制備、轉運、存儲、填充和封裝時不可避免的會接觸氧氣、氮氣和水汽，從而造成預合金粉末間隙元素(如O、N和H)含量增加，而粉末冶金鈦合金綜合力學性能受這些間隙元素影響顯著。為此，采用真空脫氣及不脫氣這2種工藝制備了粉末冶金Ti2AlNb合金，分析了真空脫氣對粉末冶金Ti2AlNb合金拉伸性能及持久壽命的影響，研究結果對于適當控制粉末預處理制度，保證熱等靜壓構件組織和性能的一致性具有重要的工程應用參考價值。

1 實 驗

采用無坩堝感應熔煉超聲氣體霧化法(electrode induction melting gas atomization, EIGA)制備Ti-22Al-24Nb-0.5Mo(原子分數,x/%)預合金粉末。在大氣環境中將Ti2AlNb預合金粉末裝入2組圓柱形低碳鋼包套內，一組經過填充、振實、真空脫氣和封焊等過程得到熱等靜壓坯料,另外一組經過填充、振實和封焊等過程得到熱等靜壓坯料[7-8]。真空加熱脫氣制度為：室溫/2 h→150 ℃/2 h→400 ℃/3 h，脫氣全過程真空度優于10-2Pa。脫氣設備為自制專用脫氣平臺，使用復合真空計檢測真空度。熱等靜壓致密化成形在RD(Z)-1-850型熱等靜壓設備中進行。

采用ICP光譜儀對Ti2AlNb預合金粉末進行化學成分分析。采用TCH600系列氧氮氫聯合測定儀對預合金粉末中的H、O、N氣體元素含量進行分析。采用Shimadzu AG-X型拉伸試驗機進行室溫及650 ℃拉伸性能測試。采用SANS-GWT105型高溫蠕變持久試驗機進行高溫持久壽命測試，實驗條件為650 ℃/650 MPa。采用數理統計的方法進行粉末冶金Ti2AlNb合金力學性能穩定性研究，拉伸性能測試的每種合金樣本數均為60只(脫氣和不脫氣)；持久樣品數量為10只。采用ESCALAB 250型X光電子能譜儀(X-ray photoelectron spectrometer, XPS)分析Ti2AlNb預合金粉末的表面成分，實驗中采用Al元素的Kα射線(1 486.6 eV)作為射線源，并對Ti2AlNb預合金表面進行濺射處理，其中濺射速率約為0.1 nm/s(相對于標準的 Ta2O5樣品)，濺射時間為30～800 s，加速電壓為3 kV，Ar+電流為2 μA。所獲得的XPS譜用C1s的標準峰(284.6 eV)進行校正。采用VersaXRM-500型顯微CT(X-ray micro computed tomography，Micro-CT)對粉末合金中的孔隙缺陷(如孔的尺寸、三維形貌及連通性等參數)進行定量分析[12]。

2 結果與討論

2.1 預合金粉末性能

表1給出了EIGA法制備的5批次Ti2AlNb預合金粉末的化學成分。從表1可以看出，主要合金元素含量波動較小，均在GB/T 3620.2—2007標準要求的誤差范圍內。Ti2AlNb預合金粉末中氣體雜質含量(尤其是O)保持在比較低的水平。這是通過嚴格控制海綿鈦、中間合金等原材料的雜質氣體含量和制粉工藝流程(如母合金熔煉、鍛造及霧化制粉等)的氧增量來實現的。

表1 Ti2AlNb預合金粉末的化學成分(w/%)

Table 1 Chemical composition of Ti2AlNb pre-alloyed powder

粉末冶金構件的表面粗糙度與內部致密度不僅與包套、模具尺寸相關，還與粉末的流動性等工藝性能密切相關。粉末粒度分布會顯著影響粉末流動性。測試了粒度分別≤75 μm、75～106 μm、106～180 μm、180～250 μm的Ti2AlNb預合金粉末在注粉漏斗直徑分別為6、8、10 mm條件下的流動性，結果如圖1所示。由圖1可知，注粉漏斗直徑一定時，粒度越小，粉末流動性越差；粉末粒度一定時，注粉漏斗直徑越小，粉末流動性越差。粉末粒度≤75 μm時，即使在φ10 mm的漏斗中依然流動性很差。在實際粉末冶金鈦合金構件制備過程中，因模具形狀復雜，內外模具間隙甚至小于1 mm，這從客觀上造成了粒徑為0～75 μm的預合金粉末難以注入模具中，出現“欠鑄”現象從而導致模具在熱等靜壓致密化過程中焊縫的“撕裂”，造成構件失效。因此，從粉末填充的工藝性能方面考慮，應選取粒度小于250 μm的全粒度分布預合金粉末。

圖1 不同粒度Ti2AlNb預合金粉末的流動性云圖Fig.1 Contour map of fluidity of Ti2AlNb pre-alloyed powder in different particle size

圖2為Ti2AlNb預合金粉末表面Ti、Al原子的XPS圖譜。從圖2a可見，Ti2p的XPS圖譜上有4個可見峰，分別對應金屬Ti(峰值對應454.1 eV和460.2 eV)與TiO2(峰值對應458.2 eV和464.1 eV)。圖2b中，Al2p的XPS圖譜上的峰值點為73.6 eV，所對應Al的氧化形式為Al2O3。Al2O3和TiO2會阻礙粉末顆粒間形成良好的冶金結合，影響粉末體的致密化進程[13]。

圖2 Ti2AlNb預合金粉末表面Ti、Al原子的XPS圖譜Fig.2 XPS spectra of the surface of Ti2AlNb pre-alloyed powder：(a)Ti atom；(b)Al atom

2.2 真空脫氣預處理對力學性能的影響

為了研究真空脫氣預處理對粉末冶金Ti2AlNb合金綜合力學性能的影響，選用固溶態試樣進行拉伸測試。對比分析2組各60只拉伸試樣的拉伸測試結果。為了對數據統計分析，引入標準差(S)和離散系數(Cv)2個指標。標準差是一組數據平均值分散程度的一種度量。離散系數是標準差與平均值的比值，主要反應數據的離散度和穩定性。表2為粉末冶金Ti2AlNb合金拉伸性能統計分析結果。由表2可知，經過預處理的粉末合金室溫拉伸性能與未進行預處理的樣品無明顯差別，而且強度穩定性較好，Cv值均在0.027附近。但2種樣品的650 ℃高溫拉伸性能存在顯著差別，經過脫氣預處理的樣品不僅強度平均值比未處理樣品高70 MPa左右，平均高溫塑性也提高了50%以上，且穩定性更好。數據統計分析表明，粉末真空加熱脫氣預處理工藝對提升Ti2AlNb粉末合金的高溫性能及其穩定性效果顯著。

表2 粉末冶金Ti2AlNb合金拉伸性能統計分析結果

Table 2 Statistical analysis results of PM Ti2AlNb alloy tensile properties

韓國學者Y.T.Lee等人[14]在研究粉末真空脫氣預處理對粉末冶金Ti-6Al-4V合金力學性能影響時發現，粉末顆粒表面吸附的O作為間隙元素能夠固溶到Ti-6Al-4V基體中，采用加熱進行真空脫氣預處理對粉末冶金鈦合金拉伸性能的影響不明顯。本研究2.1節分析顯示，Ti2AlNb預合金粉末暴露在大氣中容易發生氧化，而且氧化物(Al2O3和TiO2)通常附著在粉末顆粒表面，并不能完全固溶到基體中。為此對經過真空脫氣和未經真空脫氣的2種粉末制備的Ti2AlNb合金的持久性能進行測試，結果見表3。從表3可以看出，經過真空脫氣后，粉末冶金Ti2AlNb合金的650 ℃/650 MPa持久性能明顯優于未脫氣的樣品，持久壽命是未脫氣樣品的2倍多。因此，真空脫氣預處理對粉末冶金Ti2AlNb合金的高溫持久壽命影響顯著。

表3 粉末冶金Ti2AlNb合金的持久壽命

Table 3 Rupture life of powder metallurgy Ti2AlNb alloy

粉末冶金產品中不可避免的會出現孔隙缺陷，孔隙尺寸通常為微米級別，X射線探傷、超聲波探傷和熒光探傷等傳統的金屬材料探傷方法分辨率不夠[12]，而金相顯微鏡、掃描電鏡等表征技術難以提供完整的材料內孔隙缺陷信息。因此，采用顯微CT分析了真空預處理對粉末冶金Ti2AlNb合金壓坯中孔隙分布規律的影響，研究結果見圖3。由圖3可以看出，經過真空脫氣預處理的粉末冶金Ti2AlNb合金壓坯，其內部孔洞數量相比未處理樣品減少，這是由于粉末顆粒表面是一個氣固兩相界面，真空脫氣預處理工藝可使吸附于顆粒表面的氣體開始解吸，脫離粉末表面[15-16]。因此，為了延長粉末冶金Ti2AlNb合金構件的服役壽命，有必要對粉末進行真空脫氣預處理。

圖3 粉末冶金Ti2AlNb合金的顯微CT圖像Fig.3 Micro-CT images of powder metallurgy Ti2AlNb alloy：(a)undegassed specimen；(b)degassed specimen

3 結 論

(1)采用氬氣霧化法制備的多批次Ti2AlNb合金粉末的氣體雜質含量低，化學成分批次穩定性好。從熱等靜壓近凈成形工藝的粉末填充性能方面考慮，應選取粒度小于250 μm的全粒度分布預合金粉末。

(2)Ti2AlNb預合金粉末暴露在大氣中會吸附大氣中的雜質氣體。對預合金粉末進行真空脫氣處理后，粉末冶金Ti2AlNb合金的孔隙數量少于未脫氣樣品，綜合力學性能和穩定性優于未脫氣樣品。采用粉末冶金工藝能夠獲得性能優良的粉末冶金Ti2AlNb合金。