保溫時間對Micro-FAST制備TC4非標圓螺母致密化和性能的影響

王 維，樊浩田,楊 屹,王 杰,黃坤蘭

(四川大學 機械工程學院, 四川 成都 610065)

微型零件是指零件的結構尺寸在毫米數量級、微米數量級甚至納米數量級的零件[1]。隨著制造業向精細化發展，各行業對微型零件的需求不斷加大，如何制備出高精度、高性能的微型零件已成為制造業發展的趨勢和熱點[2]。

鈦合金具有低密度、高比強度、優異的耐腐蝕性、 良好的生物相容性及熱穩定性，廣泛應用于航空航天、汽車、船舶、化工、醫藥等領域，同時TC4合金作為典型的α+β鈦合金，不僅用量大而且應用范圍廣[3]。

傳統鈦合金制造方法,如鑄造、鍛造等，制備的鈦合金坯件微觀組織粗大，坯件的晶界之間存在一定的成分偏析；同時，傳統的鑄造、鍛造方法存在能耗大、成本高且對環境不友好的缺點[4]。因此，具有制備試樣微觀組織細小均勻、成本低、工藝參數可控、近凈成形等眾多優點的粉末冶金技術應運而生。目前，鈦合金的粉末冶金方法主要包括熱壓法、熱等靜壓法、金屬注射成形法、放電等離子燒結法(SPS)等[5-8]。

多物理場活化燒結微成形技術(Micro-FAST)是近年來四川大學楊屹老師課題組發展起來的一種新型燒結技術，其實質是基于Gleeble-1500D熱模擬機，采用低電壓、大電流的交流電通過模具及粉末體系，粉末體系在電場、溫度場、力場三場耦合的作用下快速均勻升溫，通過焦耳熱效應和電熱聚焦的作用，從而實現微型零件的快速制備[9]。Micro-FAST燒結過程中，升溫速率快、燒結時間短、燒結溫度低，可獲得相對致密度較高、力學性能良好的微型零件[10]。秦媛等[11]研究了燒結溫度對Micro-FAST制備TiAl合金組織和性能的影響，指出隨著燒結溫度從700 ℃增加到1050 ℃，TiAl合金燒結試樣相對密度增加，晶粒得到細化，組織更加均勻，維氏硬度、抗拉強度和壓縮率等力學性能明顯提升。樊浩田等[12]研究了升溫速率對微型超聲電機TC4鎖套零件性能的影響，指出升溫速率增大后，燒結試樣的致密化程度增大，其微觀組織良好并有納米晶的生成。王琪等[13]研究了燒結工藝對粉末冶金TA15鈦合金組織與性能的影響，指出隨著燒結壓力的增加，燒結體的抗拉強度和伸長率都有提高。然而，在TC4鈦合金燒結領域，對保溫時間這一參數的研究比較匱乏。

基于本課題組在Micro-FAST鈦合金微型零件制備領域中的研究成果，選擇經過試驗且合適的燒結溫度、升溫速率和成形壓力等工藝參數，經過對TC4鈦合金球形粉末進行燒結，制備出TC4鈦合金非標微型圓螺母試件，并研究了保溫時間對燒結試樣的致密化程度和力學性能的影響。通過本次研究工作，進一步豐富Micro-FAST制備微型鈦合金零件的工藝參數體系，對粉末冶金領域的研究工作也具有一定的參考意義。

1 實 驗

實驗原材料為純度大于99%、粒度為30～75 μm的TC4鈦合金粉末，如圖1所示。TC4鈦合金原始粉末球形度好，粒徑分布均勻。

圖1 TC4鈦合金原始粉末SEM照片

實驗設備為Gleeble-1500D熱模擬試驗機，該設備由計算機控制系統、加熱系統、加力系統3部分組成。燒結實驗原理圖如圖2所示。進行燒結時，將稱量好的TC4鈦合金球形粉末裝填于石墨模具中，然后將石墨模具放入Gleeble-1500D熱模擬機的燒結腔中，并穩定夾持。燒結腔中真空度為10-3Pa，軸向壓力為75 MPa。將TC4粉末以30 ℃/s的溫速率從室溫(25 ℃)升至燒結溫度1000 ℃，并保溫不同的時間。燒結完成后，將燒結腔的溫度降至室溫，降溫速率為20 ℃/s。燒結工藝參數如表1所示。

圖2 Micro-FAST燒結實驗原理圖

表1 燒結工藝參數

采用分析電子天平稱量燒結非標圓螺母試樣的質量，利用阿基米德排水法測量其密度，進而計算相對密度。采用掃描電子顯微鏡(SEM)的背散射電子(BSE)觀察燒結試樣表面的殘余孔隙。采用納米硬度儀測量燒結試樣的納米硬度值，載荷為20 mN，作用時間為20 s。硬度稱量點選在試樣的內側圓弧區域、中間區域和外側圓弧區域，同時為了避免測量結果的偶然性和較大誤差，按照笛卡爾坐標系原理90°方向進行均勻測量，一共4組12個點，如圖3所示。排除硬度測量結果的最大值和最小值，取10個點的平均值作為燒結試樣的納米硬度值。

圖3 燒結試樣納米硬度測量位置示意圖

2 結果與討論

在本實驗條件下，采用多物理場活化燒結微成形技術僅用數分鐘便成功制備出了TC4鈦合金非標微型圓螺母試件，其中一個試件實物如圖4所示。可以看出試件形狀完整，尺寸精度良好，充分證明了Micro-FAST成形方法可行。

圖4 成品非標微型圓螺母試樣照片

2.1 Micro-FAST制備非標微型圓螺母的致密化特征

選取4#燒結試樣來研究Micro-FAST制備TC4鈦合金非標微型圓螺母的致密化特征。圖5所示為4#試樣燒結成形過程中的溫度、軸向變化量隨時間變化曲線。根據試樣燒結過程中的時間、溫度和軸向長度的變化，整個燒結成形致密化過程大致可以分為3個階段。

圖5 4#試樣燒結過程中燒結溫度和軸向變化量隨時間變化曲線

I快速升溫階段：以30 ℃/s的升溫速率從室溫快速升溫至燒結溫度1000 ℃的過程中，試樣發生了明顯的軸向收縮。在這一階段，在電場和力場的主導作用下，松散的TC4鈦合金球形粉末顆粒之間的間隙迅速減小，顆粒與顆粒之間實現點接觸、面接觸，殘余氣體隨著粉末顆粒的壓實而逐漸被排出，粉末顆粒體系的體積逐漸收縮。由于TC4鈦合金顆粒自身的電阻以及相互的接觸電阻的存在，當大電流流經粉末體系時，會產生大量的焦耳熱, 使得粉末顆粒表面發生熔化，產生微區液相，顆粒之間形成燒結頸[14]。伴隨著力場、電場及熱場的共同作用，粉末顆粒產生塑性變形并發生相對滑移，從而促進了燒結試樣的快速軸向收縮致密化[15]。

II保溫階段：粉末體系在1000 ℃進行保溫一段時間。在這一階段，粉末體系的軸向變化量趨于穩定。在多物理場的協同作用下，粉末顆粒之間產生燒結頸進行彼此的結合，同時，粉末顆粒表面熔化形成的微區液相填充殘余空隙，降低孔隙率，進一步促進了燒結粉末體系的致密化。由于高溫膨脹效應和微區液相增多的雙重因素導致燒結粉末體系體積略有膨脹，因而在這一階段燒結粉末體系的軸向變化量有所減小。

III降溫階段：燒結粉末體系在燒結腔內以20 ℃/s的冷卻速率降至室溫。伴隨著降溫的冷卻作用和微量殘余氣體的排出，燒結體的軸向變化量進一步增大。在這樣的冷卻條件下，避免了晶粒的過度長大甚至二次再結晶對微觀組織結構和力學性能的破壞，同時也可以保留一定的具有優異性能的高溫組織[16]。

2.2 保溫時間對燒結試樣相對密度和微觀組織的影響

圖6為燒結試樣相對密度隨保溫時間的變化曲線。當保溫時間只有5 s時，燒結試樣的相對密度僅為68.5%。當保溫時間是360 s時，4#試樣的相對密度高達98.3%，達到了預期的效果。從圖6可以看出，隨著保溫時間的增加(從5 s到360 s)，燒結試樣的相對密度逐漸增大。

圖6 燒結試樣相對密度隨保溫時間的變化曲線

圖7所示為不同保溫時間的燒結試樣的BSE照片。圖8所示為不同保溫時間的燒結試樣局部區域的BSE照片。從燒結試樣的表面可以看出，當保溫時間為5 s時(圖7b和圖8a)，TC4鈦合金球形顆粒保持著一定的形狀，顆粒的界面仍清晰明顯；顆粒的塑性變形較小，顆粒與顆粒之間彼此僅靠初步融合的燒結頸連接。燒結試樣整體上孔洞較多，孔隙率較高，致密化程度差，因此相對密度低。隨著保溫時間的增加，粉末體系顆粒間的燒結頸進一步增多(圖8b，A區域)，顆粒互相融合。伴隨著晶粒逐漸長大和新晶粒形成，顆粒間的界面消失，燒結頸逐漸消失，殘余孔洞逐漸孤立、閉合[17](圖7h和圖8d)，孔隙率大幅減少，最終獲得了微觀組織均勻、致密化程度高的TC4鈦合金非標微型圓螺母試件。

圖7 不同保溫時間的燒結試樣BSE照片

圖8 不同保溫時間的燒結試樣局部區域BSE照片

燒結試樣組織中晶粒的晶界清晰完整，較多細長平直的片狀組織(圖8d，C區域)、針狀組織(圖8c,B區域)均勻分布，一些呈現方形、多邊形和盤狀的等軸組織(圖8d，D區域)羅列其中。這是由于試樣燒結過程中，在電場、力場、溫度場的共同作用下，隨著保溫時間的延長，TC4鈦合金球形顆粒的塑性變形越來越大，顆粒表面熔化形成較多的微區液相和燒結頸，顆粒與顆粒之間通過燒結頸進行了充分的原子擴散和晶界擴散，從而促進了晶粒的再結晶與新晶粒的形核生長[18，19](圖8d，顆粒之間新生長的等軸晶粒)。TC4鈦合金球形顆粒內部由于塑性變形有限，加之原子擴散和晶界擴散有限，仍然保持原來的條狀或細針狀晶粒。整體來說，隨著保溫時間的延長，燒結試樣的微觀組織越來越均勻，致密化程度越來越高。

2.3 保溫時間對燒結試樣力學性能的影響

圖9為4#試樣外側圓弧區域、中間區域和內側圓弧區域(對應圖7h中A、B、C區域)的BSE照片。可以看出，相比中間區域，靠近模具的內側圓弧區域和外側圓弧區域的殘余孔洞均較少，孔隙率較低。這表明同一個燒結試樣在半徑方向上存在著孔隙率、致密化程度和微觀組織的不同,最終將導致3個區域的力學性能存在差異。

圖9 對應圖7h 4#試樣不同區域的BSE照片

圖10所示為燒結試樣納米硬度隨保溫時間的變化曲線。從圖10可以看出，當保溫時間只有5 s時，燒結試樣的平均納米硬度值僅為2.728 GPa；當保溫時間為360 s時，平均納米硬度達到6.699 GPa。因此，保溫時間對燒結試樣的力學性能有著明顯的影響。隨著保溫時間的延長，燒結試樣的納米硬度逐漸增大。

圖10 燒結試樣納米硬度隨保溫時間的變化曲線

綜上可知，隨著保溫時間的延長，燒結試樣致密化程度提高，相對密度增大，微觀組織逐漸均勻，晶粒再結晶充分進行和新晶粒形核生長(如等軸晶)，相應地促進了燒結試樣納米硬度的提高。即在一定程度上，隨著燒結保溫時間的延長，TC4鈦合金非標微型圓螺母試樣的力學性能逐漸提高。

3 結 論

(1)采用多物理場活化燒結微成形技術(Micro-FAST)成功制備了致密化程度高的TC4鈦合金非標微型圓螺母。在燒結溫度1000 ℃、升溫速率30 ℃/s、外壓力75 MPa的條件下，保溫時間為360 s時，燒結試樣最大相對密度為98.3%，最大平均納米硬度為6.699 GPa，并且全過程耗時僅幾分鐘，實現了較高質量微型零件的快速制備。

(2)隨著保溫時間從5 s到延長360 s，燒結粉末顆粒體系產生大量的燒結頸填充孔洞，從而減少了殘余孔洞的數量，降低了孔隙率，因此燒結試樣的致密化程度逐漸上升，微觀組織愈發均勻，相對密度逐漸增大，力學性能逐漸提高。