鈦粉燒結工藝參數控制研究①

張報清，孫 應，李亞東，3，李永佳，3，沈波濤

（1.昆明冶金高等專科學校，云南 昆明 650033；2.昆明理工大學 冶金與能源工程學院，云南 昆明 650093；3.昆明市稀散及貴金屬資源綜合利用重點實驗室，云南 昆明 650033；4.浙江華友鈷業股份有限公司，浙江 嘉興 314500）

金屬鈦被譽為“二十一世紀金屬”，又有“生物金屬”“海洋金屬”“太空金屬”美稱。純度較高的海綿鈦常溫常壓下較軟且有韌性，直接粉碎制取金屬鈦粉十分困難，但與氫氣反應后生成的TiH2呈疏松狀，利用鈦的氫脆性很容易粉碎，能在短時間內球磨至納米晶形態。TiH2粉代替鈦粉制備鈦合金，能夠提高壓坯密度和產品性能，而氫元素也易在燒結工藝中脫去。鈦及鈦合金在國防和社會經濟中應用普遍，鈦產品具有高比強度、耐腐蝕性、低膨脹系數、低密度、低導熱率、優異生物相容性、無磁性、超導、超彈性、表面裝飾性好、儲氫、形狀記憶高阻尼等特殊功能及優良特性［1?4］。粉末冶金冷等靜壓近凈成形?壓坯燒結工藝能夠解決鈦及鈦合金傳統鑄造工藝組織不均勻、宏觀成分偏析等問題［5?13］。本文通過實驗研究，討論燒結溫度、保溫時間和升溫速率對燒結坯收縮率和相對密度的影響，以得到適宜的鈦粉燒結溫度參數，從而制備出全致密高性能的鈦粉末冶金件，提高鈦材料利用率。

1 試驗內容

1.1 試驗原料

選用TiH2粉作為試驗原料，其化學成分見表1。粉末粒度為－45 μm，形貌如圖1所示。

表1 TiH2粉化學成分（質量分數） %

圖1 TiH2粉體形貌

1.2 試驗方法與步驟

試驗所用設備與型號見表2。

表2 試驗設備與型號

稱取TiH2粉15 g，裝入三維立體混粉機，料筒轉速300 r／min，混粉時間8 h；經過模壓低壓壓制成型后，放入直徑為20 mm的橡膠包套中，抽氣后密封橡皮套；設定不同的壓制壓強和保壓時間進行冷等靜壓；壓制后從橡皮套內剝離壓坯，在高溫高真空燒結爐中對壓坯進行真空燒結，燒結時真空度為1 mPa。并對燒結試樣進行性能檢測及分析。

2 試驗結果與分析

2.1 燒結溫度對燒結試樣收縮率及相對密度的影響

以5℃／min升溫，升至指定溫度后開始計時，保溫2 h，對試樣進行高溫高真空燒結，燒結溫度對燒結試樣收縮率與相對密度的影響如圖2～3所示。由圖可知，燒結試樣收縮率與相對密度均隨燒結溫度升高而增大。燒結溫度低于1 050℃時，燒結試樣的收縮率與相對密度隨溫度升高快速增大；燒結溫度高于1 050℃時，燒結試樣的收縮率和相對密度隨溫度升高而較慢上升。燒結溫度高于1 200℃后，燒結試樣收縮率繼續緩慢上升，而試樣相對密度基本穩定。綜合考慮燒結效率、燒結爐溫度極限及能耗，燒結溫度以1 200℃為宜。

圖2 燒結試樣收縮率與燒結溫度的關系

圖3 燒結試樣相對密度與燒結溫度的關系

圖4為不同燒結溫度下的燒結坯金相組織。由圖4可以看出，燒結溫度1 100℃時，晶粒及晶界上存在大量孔隙，孔隙形狀不規則、大小不齊。燒結溫度達到1 200℃后，孔隙數量明顯減少，孔隙大小較均勻，孔隙呈規則圓形或橢圓形彌散分布于基體上。燒結溫度繼續升高至1 300℃，孔隙數量與大小無明顯變化，但晶粒變大、晶界擴展。

圖4 不同燒結溫度下的燒結坯金相組織

圖5為不同燒結溫度下的燒結坯拉伸斷口形貌。由圖5可以看出，不同溫度下的燒結坯斷口或多或少存在殘余孔隙。燒結溫度1 100℃時，燒結坯斷口殘余孔隙較多；燒結溫度1 200℃時，燒結坯斷口殘余孔隙減少；燒結溫度1 300℃時，殘余孔隙隨著晶粒增大和晶界擴展而粗化。提高燒結溫度可以降低燒結坯孔隙率、減少殘余孔隙尺寸、減少應力集中和宏觀脆斷，但也可能導致材料力學性能下降。

圖5 不同燒結溫度下的燒結坯拉伸斷口形貌

2.2 保溫時間對燒結試樣收縮率及相對密度的影響

以速率5℃／min升溫至1 200℃對試樣進行燒結，保溫時間對燒結試樣收縮率的影響見圖6。由圖6可以看出，燒結試樣的收縮率隨著保溫時間延長而增大。保溫時間小于2 h時，隨保溫時間延長，燒結試樣收縮率急劇增大；保溫時間達到2 h后，隨保溫時間延長，燒結試樣收縮率緩慢增大。

圖6 燒結試樣收縮率與保溫時間的關系

圖7為保溫時間對燒結試樣相對密度的影響。在燒結初期4 h內，燒結試樣的相對密度隨保溫時間延長明顯增大。保溫時間大于4 h后，試樣相對密度趨于穩定。這可能是因為基體原子與孔隙在較高溫度下發生強烈擴散，原子的擴散表現為晶粒形成與長大，孔隙的擴散表現為孔隙不斷擴展與長大，孔隙長大到一定程度后從基體中逸出，基體原子與孔隙擴散的結果表現為燒結試樣收縮率及相對密度增大。基體原子長大和孔隙擴散與保溫時間有關，孔隙擴散逸出基體需要足夠時間。從燒結效率、燒結組織控制角度考慮，保溫時間以4 h為宜。

圖7 燒結試樣相對密度與保溫時間的關系

圖8為不同保溫時間下的燒結試樣金相組織。由圖8可以看出，保溫時間1 h時，燒結試樣基體中孔隙繁多，晶粒與晶界上存在大小參差不齊、形狀不規則、多有尖角、連接作用明顯的大量孔隙。高溫條件下，不規則形狀的孔隙易經過原子擴散從而形成規則圓孔，由于保溫時間較短，原子來不及擴散，孔隙多且形狀復雜。保溫時間2 h時，燒結試樣基體中仍然存在很多孔隙，孔隙均勻分布且形狀已比較規整，孔隙之間的連接作用相對減弱。保溫時間3 h時，燒結試樣基體中孔隙數量和尺寸大幅降低，主要以小孔隙彌散分布。保溫時間4 h時，已有足夠時間為孔隙逐步擴散、長大和湮滅提供條件，大孔隙消失，只有幾個小孔隙存在于晶粒上。

圖8 不同保溫時間下的燒結試樣金相組織

2.3 升溫速率對燒結試樣收縮率及相對密度的影響

升溫速率影響燒結試樣致密化程度與合金化程度，即影響燒結試樣相對密度、燒結試樣收縮率、顯微組織和力學性能。

燒結試樣在1 200℃下保溫燒結2 h后，升溫速率對燒結試樣相對密度的影響如表3所示。由表3看出，燒結試樣相對密度隨著升溫速率增大而減小。在較低升溫速率（5℃／min或10℃／min）下，燒結試樣相對密度均較高，且差別不大；在較高升溫速率（30℃／min或40℃／min）下，燒結試樣相對密度有一定程度下降。提高升溫速率會一定程度導致燒結密度下降，但下降幅度不大。

表3 升溫速率對燒結試樣相對密度的影響

圖9為不同升溫速率下的燒結試樣的金相組織。由圖9可以看出，較低的升溫速率有利于組織內部缺陷消失、內應力釋放和氣孔消除，燒結試樣內部氣孔少、氣孔細、氣孔形狀規則呈圓形或橢圓形。在較高升溫速度下，組織內部缺陷來不及消失及內應力來不及釋放，燒結試樣內部氣孔多、氣孔大、形狀不規則。為了避免產生燒結缺陷導致燒結試樣相對密度降低，升溫速率以10℃／min為宜。

圖9 不同升溫速率下的燒結試樣金相組織

3 結 論

1）燒結試樣的收縮率和相對密度隨燒結溫度升高而增大，當燒結溫度高于1 200℃后，燒結試樣收縮率和相對密度基本穩定，孔隙數量明顯減少，孔隙大小較均勻。綜合考慮燒結效率、燒結爐溫度極限及節約能源，燒結溫度以1 200℃為宜。

2）燒結試樣收縮率和相對密度隨保溫時間延長而增大，保溫時間達到4 h后，試樣收縮率和相對密度趨于穩定，孔隙逐步擴散、長大和湮滅，大孔隙消失。從燒結組織控制及燒結效率角度考慮，保溫時間以4 h為宜。

3）燒結試樣相對密度隨著升溫速率增大而減小，但變化幅度不大。較低升溫速度下，有利于組織內部缺陷消失、內應力釋放和氣孔消除，升溫速率以10℃／min為宜。