SPS燒結參數對Ti3Al2Mo5Nb室溫及低溫力學性能的影響

萬海峰，許愛軍，吳永剛，牛雨曈，湯澤軍

SPS燒結參數對Ti3Al2Mo5Nb室溫及低溫力學性能的影響

萬海峰1，許愛軍2，吳永剛1，牛雨曈1，湯澤軍1

（1. 南京航空航天大學 機電學院，南京 210016；2. 北京衛星制造廠有限公司，北京 100090）

研究SPS燒結溫度、保溫時間等工藝參數對Ti3Al2Mo5Nb在不同溫度下力學性能的影響規律。利用放電等離子燒結（SPS）技術快速燒結，得到致密度較高的Ti3Al2Mo5Nb低溫鈦合金，通過設置不同的燒結溫度及保溫時間，結合室溫及77 K低溫力學性能測試，對不同參數得到的合金的室溫及低溫性能進行表征，探究SPS燒結過程中工藝參數對Ti3Al2Mo5Nb合金室溫及低溫力學性能的影響規律。隨著燒結溫度的升高，合金的致密度、硬度逐漸提高，室溫條件下的抗拉強度逐漸提高，伸長率逐漸降低，而77 K條件下合金的抗拉強度逐漸增加，伸長率先增加后減少。隨著保溫時間的增加，合金的致密度及硬度變化不大，無論在室溫還是在77 K低溫條件下，合金的強度均先減小后增加，伸長率逐漸減少。微觀組織顯示，隨著燒結溫度的增加，相含量逐漸減少，與伸長率的變化相同，這可能是由于相的存在促進了室溫變形過程中晶界滑移及低溫條件下產生孿晶；隨著保溫時間的增加，析出的強化相含量先減少后增加，這可能是導致合金強度變化的原因，同時相含量減少，從而導致合金在273 K及77 K條件下的塑性均降低。對低溫條件下使用的鈦合金而言，在50 MPa壓力下，當溫度為1050 ℃時，保溫5 min得到的樣品力學性能最好，過高的燒結溫度及保溫時間會減少合金中相含量，降低低溫塑性。

低溫鈦合金；SPS燒結；力學性能；低溫性能

低溫鈦合金作為一種重要的低溫材料，相比傳統低溫材料，具有比強度高、耐腐蝕性能好、熱傳導率低等一系列優點，在航天領域具有重要應用[1—2]。目前，國內外通用的低溫鈦合金通常為型或近型鈦合金，由于不含或僅含有少量相，其工藝塑性差，且不能通過熱處理強化[3]。Ti3Al2Mo5Nb合金作為一種新型+低溫鈦合金，能夠克服型低溫鈦合金不能進行熱處理強化的缺點，同時相比傳統兩相低溫鈦合金，塑性有了較大提升，具有較高的應用及開發前景。對于航天器結構中的復雜低溫部件，例如氫泵葉輪，傳統的熱成形方法成本高，工序復雜，精度不足，不能很好地滿足要求，限制了其進一步應用。粉末冶金技術，相比傳統鑄錠冶金技術，具有近凈成形、組織性能好、無偏析、成本低等一系列優點，是鈦合金制備及成形的必然發展趨勢[4—6]。放電等離子燒結（Spark plasma sintering，SPS）技術相比其他粉末冶金方法，具有燒結時間短、燒結溫度低、晶粒細小、組織可控等特點，逐漸成為近些年的研究熱點之一。Jabbar等[7]通過SPS技術燒結出完全致密的Ti-47Al- 2Cr-2Nb合金試樣。在制備過程中，Jabbar等發現燒結溫度決定了樣品的微觀組織，當燒結溫度為1050～1150 ℃時，燒結樣品為等軸組織，當溫度升高到1150～1200 ℃時，燒結樣品為雙態組織。Liang等[8]利用SPS技術成功制備了Ti-48Al-2Cr-2Nb合金，發現壓力對粉末的致密化具有重大影響。當載荷為15 MPa時，最低致密燒結溫度為1300 ℃，當壓力提高到50 MPa，在650 ℃就可以實現致密化。Shanmugasu-ndaram等[9]發現燒結后的晶粒尺寸與初始粉末粒度有關。當初始粉末粒度為2 μm時，燒結后的試樣晶粒尺寸為100～150 nm。Martins等[10]探究了燒結時間對SPS致密化的影響，發現在1024 ℃-30 MPa條件下，致密化過程從7 min開始發生，在12 min結束。張金贊等[11]通過SPS技術快速燒結得到了完全致密的TC4塊體，相比鑄造得到的樣品，組織均勻，晶粒細小，合金的強度和硬度有了極大提升。綜上，鈦合金SPS燒結方面的研究主要集中于材料的制備，而不同燒結工藝對合金性能的影響，特別是低溫性能的影響，目前未見報道。文中通過設置不同的燒結參數，探究了燒結溫度、保溫時間對Ti3Al2Mo5Nb低溫力學性能的影響規律，為后續SPS工藝制備低溫鈦合金零件提供依據。

1 實驗設置

1.1 試樣制備

以單質Ti粉、Al粉、Mo粉、Nb粉為原料，燒結前需要將粉末混合均勻。根據筆者前期工作，當合金中元素的質量比為Ti︰Al︰Mo︰Nb=90︰3︰2︰5時，合金具有較好的低溫力學性能。按照該比例稱取金屬粉末，放入球磨罐中，然后按照10︰1的球料比（質量比）加入陶瓷磨球，采用XGB2型的行星式球磨機進行混粉，球磨機轉速設置為200 r/min，采用間歇運行模式，即每運行45 min暫停15 min，總運行時間為3 h。利用FCT-HPD5型放電等離子燒結設備進行燒結，制備Ti3Al2Mo5Nb低溫鈦合金塊體，具體流程如下：取適量混合均勻的Ti3Al2Mo5Nb粉末，放入內徑為35 mm的高強石墨模具中，粉末外包厚度為0.2 mm的石墨紙以便于脫模。預壓后安裝至SPS爐腔內，抽真空至3 Pa后，逐漸增加壓力至10 MPa，然后按照50 ℃/min的升溫速率逐漸升溫至設定溫度，與此同時，壓力也在同一時間內增加至設定壓力。燒結完成后立即撤除壓力，在真空條件下隨爐冷卻至室溫。文中以燒結溫度、保溫時間兩個工藝參數為實驗變量，具體燒結方案如表1所示。

1.2 測試方法

將燒結得到的Ti3Al2Mo5Nb合金塊體打磨拋光后，采用線切割的方法，將樣品切割成標距為12 mm、厚度為1.5 mm的拉伸試樣，如圖1所示。密度測試采用阿基米德排水法；硬度測試在HV-1000型顯微硬度計上進行，在測量過程中，采用1.96 N的試驗力，15 s的保壓時間。為了減少測量誤差，在每一個燒結錠直徑方向等距測量5個點，取平均值作為合金的實際硬度。通過光學顯微鏡觀察燒結后樣品的微觀組織，觀察前樣品經過打磨拋光后腐蝕，腐蝕劑為Keller試劑。室溫及低溫力學性能測試在電子萬能拉伸試驗機（型號為WDW 2000）上進行，該設備最大負載能力為20 kN。為了進行77 K低溫力學性能測試，同時避免試樣打滑導致的實驗誤差，對該設備進行了改裝，設計了一套低溫拉伸專用裝置，如圖2所示。在實驗之前，要保證試樣在液氮中充分預冷，同時在拉伸過程中必須嚴格保證液氮界面完全高于銷釘，以此確保試樣在拉伸過程中始終處于液氮環境。

表1 SPS燒結實驗方案

Tab.1 SPS sintering experiment scheme

圖1 Ti3Al2Mo5Nb燒結錠及拉伸試樣

圖2 77 K低溫力學性能測試平臺示意

2 結果與討論

2.1 燒結溫度對Ti3Al2Mo5Nb合金微觀組織及力學性能的影響

圖3a顯示了燒結溫度對Ti3Al2Mo5Nb合金硬度及致密度的影響。當燒結溫度大于950 ℃時，樣品的致密度均在99%以上，說明SPS燒結技術可以在短時間內得到致密度良好的鈦合金材料。隨著燒結溫度的增加，致密度隨之增加，這是由于在較低的溫度下，粉末之間的活化效應不明顯，擴散效率低。當燒結溫度為950 ℃時，致密度達到99.18%，當溫度達到1050 ℃時，致密度為99.20%，再增加溫度，對樣品致密度提升有限，說明在1050 ℃條件下樣品已經接近致密狀態。硬度的變化與致密度變化基本相同，致密度提高，合金中的氣孔率減少，有助于硬度的提高。

圖3b為293 K條件下不同燒結溫度得到的Ti3Al2Mo5Nb合金的工程應力應變曲線。隨著燒結溫度的增加，在293 K條件下，試樣的塑性逐漸減小，抗拉強度逐漸提高。在較低的溫度條件下，樣品致密度較低，相當于截面積更小，從而導致其強度降低。當燒結溫度達到1050 ℃時，繼續增加燒結溫度對材料的室溫力學性能影響較小，如圖3c所示。在77 K條件下，隨著燒結溫度的升高，材料的強度、伸長率均提高。當燒結溫度高于1050 ℃時，材料的強度基本不發生變化，如圖3d所示。綜上，從鈦合金低溫性能角度考慮，1050 ℃是SPS燒結的最優化溫度。

圖4顯示了不同參數下燒結獲得的Ti3Al2Mo5Nb微觀組織。樣品組織中含有大量的相，這與合金配方中含有大量的穩定元素有關。隨著燒結溫度的升高，相含量逐漸減少，相的含量逐漸增加。相作為鈦合金的馬氏體相，強度及硬度大于相，導致室溫條件下合金強度提高及伸長率降低，同時導致樣品硬度增加。通常，隨著合金致密度的提高，樣品強度和伸長率都提高。當燒結溫度為1150 ℃時，合金致密度較高，而伸長率反而降低，根據Hanada等[12—15]的研究，相在低溫變形中存在{332}<113>孿晶和應力誘導相變，能大幅度提高合金的低溫塑性。因此，當燒結溫度超過1050 ℃時，在致密度提高的情況下試樣低溫塑性降低，其原因在于相含量減少。

圖3 不同燒結溫度對Ti3Al2Mo5Nb合金力學性能的影響

圖4 不同燒結溫度下Ti3Al2Mo5Nb合金微觀組織

2.2 保溫時間對Ti3Al2Mo5Nb合金微觀組織及力學性能的影響

圖5a顯示了不同保溫時間下Ti3Al2Mo5Nb合金致密度及硬度的變化。當保溫時間大于5 min時，不同保溫時間下Ti3Al2Mo5Nb樣品致密度均在99%以上，說明合金已經基本致密，繼續增加保溫時間對致密度影響不大。硬度隨保溫時間變化不大，說明對于Ti3Al2Mo5Nb合金SPS工藝而言，5 min的保溫時間已經足夠合金致密化。

圖5b顯示了不同保溫時間、不同溫度下Ti3Al2Mo5Nb合金的工程應力-工程應變曲線及力學性能。隨著變形溫度的降低，合金的抗拉強度大幅度提升，當保溫時間為5 min時，伸長率也隨之提升，說明在低溫條件下，合金變形過程中存在其他的變形機制，從而提高了合金的塑性。當變形溫度為293 K時，隨著保溫時間的增加，樣品的伸長率逐漸減小。當保溫時間為5 min時，樣品的伸長率為19.6%。當保溫時間增加至15 min，樣品伸長率僅為14.5%，減少了26%，這是由于保溫時間的延長導致晶粒粗化。在77 K條件下，材料的性能變化趨勢與293 K條件下相同。當保溫時間為5 min時，樣品伸長率最高，為20.3%。當保溫時間為15 min時，樣品的伸長率最低，為10%，降低了大約50%。綜合上述SPS燒結參數對材料力學性能的影響規律，當燒結溫度為1050 ℃，保溫時間為5 min時，Ti3Al2Mo5Nb合金在不同溫度下的綜合力學性能最優。

圖5 不同保溫時間對Ti3Al2Mo5Nb合金力學性能的影響

不同保溫時間微觀組織變化如圖6所示。隨著保溫時間的增加，相含量減少，析出相含量先減少后增加。當保溫時間為15 min時，能夠觀察到大塊的析出相，可能是過高的保溫時間導致析出相聚合生長。當燒結時間為5 min時，樣品中包含大量相及細小的析出相，室溫和77 K低溫條件下均具有較高的強度和塑性。隨著保溫時間的增加，相含量減少，合金在273 K及77 K條件下的塑性均降低，這是由于相含量的增加促進了室溫條件下的晶界滑移及低溫條件下形變孿晶的產生[12—16]。

圖6 不同保溫時間下Ti3Al2Mo5Nb合金微觀組織

3 結論

1）隨著燒結溫度的增加，合金的致密度、硬度逐漸提高，室溫條件下的抗拉強度逐漸提高，伸長率逐漸降低，77 K條件下合金的抗拉強度逐漸增加，伸長率先增長后減少。對低溫條件下使用的鈦合金而言，在50 MPa壓力條件下，1050 ℃-5 min是最優的燒結參數。微觀組織顯示隨著燒結溫度的增加，相含量逐漸減少，與室溫及低溫條件下的伸長率變化相同，這是由于相的存在促進了室溫變形過程中晶界的滑移及低溫條件下孿晶的產生

2）隨著保溫時間的增加，合金的致密度及硬度變化不大，無論在室溫還是在77 K低溫條件下，合金的強度均先減小后增加，伸長率逐漸減少。微觀組織顯示隨著保溫時間的增加，析出的強化相含量先減少后增加，這是導致合金強度變化的原因，同時由于相含量的減少，導致合金在273 K及77 K條件下的塑性也隨之降低。

3）對低溫條件下使用的鈦合金而言，在50 MPa壓力下，當溫度為1050 ℃時，保溫5 min得到的樣品力學性能最好，過高的燒結溫度及保溫時間會減少合金中相含量，降低其低溫塑性。

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Effect of SPS Sintering Parameters on Mechanical Properties of Ti3Al2Mo5Nb Alloy at Room and Low Temperatures

WAN Hai-feng1, XU Ai-jun2, WU Yong-gang1, NIU Yu-tong1, TANG Ze-jun1

(1. School of Mechatronics, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China; 2. Beijing Satellite Manufacturing Factory, Beijing 100090, China)

The influence of SPS sintering temperature and holding time process parameters on the mechanical properties of Ti3Al2Mo5Nb at different temperatures was studied. Using spark plasma sintering (SPS) technology for rapid sintering, a high-density Ti3Al2Mo5Nb low-temperature titanium alloy is obtained. By setting different sintering temperatures and holding times, combined with room temperature and 77 K low-temperature mechanical performance tests, the alloys obtained with different parameters are The room temperature and low temperature properties were characterized, and the influence of process parameters on the mechanical properties of Ti3Al2Mo5Nb alloy at room temperature and low temperature during the SPS sintering process was explored. As the sintering temperature increases, the density and hardness of the alloy gradually increase, the tensile strength at room temperature gradually increases, and the elongation gradually decreases, while the tensile strength of the alloy gradually increases at 77 K, and the elongation first increases After reducing. As the holding time increases, the density and hardness of the alloy do not change much. The strength of the alloy first decreases and then increases, and the elongation decreases gradually, no matter at room temperature or at a low temperature of 77 K. The microstructure shows that as the sintering temperature increases, the content ofphase gradually decreases, which is the same as the change in elongation. This may be due to the existence ofphase that promotes grain boundary slip during room temperature deformation and the generation of twins under low temperature conditions; As the holding time increases, the content of the precipitated strengthening phase increases successively, which may be the reason for the change in the strength of the alloy, and at the same time the content of thephase decreases, which leads to the decrease of the plasticity of the alloy under the conditions of 273 K and 77 K. For titanium alloys used under low temperature conditions, at a pressure of 50 MPa, when the temperature is 1050 ℃, the mechanical properties of the samples obtained by holding for 5 minutes are the best. Too high sintering temperature and holding time will reduce the content ofphase in the alloy, then reduce low temperature plasticity.

low temperature titanium alloy; SPS sintering; mechanical properties; low temperature properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.03.017

TG146.2+3

A

1674-6457(2021)03-0137-06

2021-03-21

裝備預研領域基金（61409220123）

萬海峰（1995—），男，碩士生，主要研究方向為鈦合金材料制備及成形。

湯澤軍（1981—），男，博士，副教授，主要研究方向為輕質合金精密成形。