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第 28卷 第 5期 2008年 10月 航 空 材 料 学 报 JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERI ALS Vol 128 No15 October 2008 置氢对 TC21合金粉末物理性能和压制性能的影响 田亚强 1 陈晓辉1 侯红亮2 任学平1 1 北京科技大学 材料科学与工程学院 北京 100083 2 北京航空制造工程研究所 北京 100024 摘要 采用扫描电镜观察 粉末镶嵌试样 XRD和模压成形等方法 研究了置氢 H wt 对 TC21合金粉末颗粒 形貌 表面状态 显微组织 相组成 显微硬度和压制性能等的影响 结果表明 置氢 TC21粉末颗粒形貌为不规则 状 粉末主要由亮相 A相及暗相 B相组成 颗粒显微组织呈片状 A B集束状和网篮状 随置氢量的增加 置氢 TC21粉末显微硬度呈降低趋势 A相逐渐减少 B相逐渐增多 并且有少量的 Ad相生成 粉末的压缩性能呈先变差 后变好的不明显变化趋势 成形性能先变差又逐渐变好 置氢量 0110wt 0139wt TC21粉末压制性能较好 置氢 量 0122 wt 的 TC21粉末的压制性能最差 关键词 置氢 TC21钛合金粉末 置氢量 物理性能 压制性能 中图分类号 TG14612 文献标识码 A 文章编号 1005 5053 2008 05 0032 05 收稿日期 2007 09 06 修订日期 2007 10 11 基金项目 11AZ6305 作者简介 田亚强 1980 男 博士研究生 E mail tyqwylfive 1631co m 钛及其合金具有低密度 高比强度 低弹性模 量 卓越的耐腐蚀性 焊接性能好以及良好的生物相 容性等性能 广泛应用于石化 航空航天 生物工程 良好相容性 等领域 1 3 钛合金室温塑性低 冷 加工非常困难 但热变形温度高 流动应力大 应变 速率低 大大限制了钛合金的变形工艺和应用 4 研究表明 钛合金中引入临时合金元素氢 可以使 A B B转变温度降低 增加 B相 从而降低热加 工流变应力 5 6 可以明显改善钛合金的组织结构 和力学及加工性能 7 9 作为航空的关键结构材 料 钛合金研究逐渐向高损伤容限型方向发展 其中 T iA l Sn Zr Mo Cr Nb N i Si 系的两相 TC21合 金 10 是西北有色金属研究院创新研制出的高强高 韧损伤容限钛合金 11 本工作主要研究置氢 H w t 对 TC21粉末 颗粒形貌 表面状态 显微组织 相组成 显微硬度等 物理性能和压制性能等的影响 得出置氢 TC21粉 末的评价体系 以利于置氢 TC21钛合金粉末的固 结加工及其置氢改性机理的研究 1 实验材料及方法 研究对象为氢化 脱氢 HDHTC21 H 0 w t 粉 末 以及由 TC21钛合金棒材置氢 氢含量 w t 为 0110 0122 0128 0139 0150 后经车削 机械研磨得 到的置氢粉末 置氢 TC21 质量分数 粉末颗粒形貌 表面 状态利用 ZEISS SUPRA 55型扫描电镜观察 将粉末 采用 618环氧树脂 邻苯二甲酸二酊酯 乙二胺 质 量比 100B15B10 的混合料镶嵌 镶嵌试样打磨抛光 后 在 MH 6型 HV显微硬度计上 保载时间 10 s 50 g的负荷下测定粉末的显微硬度 镶嵌试样打磨抛 光后 采用 HF HNO3 H2O 体积比 1B2B5 混合液 进行腐蚀处理 腐蚀时间为 10 20 s 粉末显微组织 在 ZEISS S UPRA 55型扫描电镜观察 粉末相分析采 用 DMAX RB12KW 旋转阳极 X射线衍射仪 衍射仪 使用 Cu靶 选用步宽 0102b 功率 40 V 电流 150 mA DS 1 SS 1 置氢 TC21粉末在 C MT 4305微机万能实验机 上模压成形 模具材料采用 32Cr2 MoV合金钢 模壁 润滑 模具内径 12mm 粗糙度良好 将每个样品称 重 3 g 分别取压力为 30 40 50 60 70 80kN 相同 组分相同压力下压制三个平行试样 制成具有不同 相对密度的预成形坯 通过 OHAUS AR1140天平 精密测量置氢钛合金粉末预成形坯的重量 游标卡 尺测量预成形坯的高度 可得出预成形坯的密度 利 用 40 kN压力下压制的预成形坯进行压缩实验 测 定粉末压坯的抗压强度 以得到置氢 TC21钛合金 粉末的成形性能 第 5期置氢对 TC21合金粉末物理性能和压制性能的影响 2 实验结果与分析 211 置氢 TC21粉末特性 颗粒形貌 1 置氢 TC21粉末特性如表 1所示 由表 1 可知 随着置氢量的增加 置氢 TC21粉末粒径尺寸 之间相差大 且无明显规律性变化 其中置氢量 0122 w tTC21 粉末的体积平均径最大 置氢量 0128w tTC21粉末的体积平均径最小 325目 粉末粒度分布标准差和均匀度相差很大 其中置氢 量 0110 w tTC21粉末和置氢量 0139w tTC21粉 末的粒度分布标准差较大 粒度分布范围最广 其均 匀度也最差 置氢量 0128 w tTC21粉末的粒度分 布标准差最小 粒度分布范围最窄 其均匀度也最 好 粉末流动性基本较好 置氢量 0 w t和 0139 w tTC21粉末的流动性一般 置氢量 0 w tTC21 粉末的流动性最差 置氢量 0110w t 0122w t 0128 w t 和 0150 w tTC21粉末的流动性好 粉末 的松装密度和振实密度略有增大 但不明显 表 1 置氢 TC21 H wt 钛合金粉末特性 Table 1 Po wder characteristics of hydrogenatedTC21 alloy TC21 H wt Volume mean dia meter Dv Lm Size distribution standard deviation R Specific area SW m2 g 1 Loose density fa g c m 3 Tap density ft g c m 3 Evenness degree Uf Carr fluidity indexMi Aspect ratioAr 024 92 690 4941 842 686 5856 161 55 0 1063 793 441 0541 992 7512 0657 461 58 0 22112 822 331 6632 052 664 2265 751 71 0 284 6781 9041 5322 002 722 9566 141 48 0 3973 293 470 9272 132 8012 0058 861 35 0 5079 092 461 4071 862 504 0564 451 31 2 图 1为置氢 TC21粉末颗粒 SEM 扫描照 片 结合其粉末特性表 1中粒度分布检测结果 分析 可知 置氢 TC21粉末颗粒形貌为不规则状 某些颗 粒呈片状 颗粒表面凹凸不平 较光洁 少附着物 颗 粒分布范围较广 尺寸大小不均匀 随着置氢量的增 加 粉末颗粒的平均粒径规律性变化不明显 其中置 氢量 0128 w tTC21粉末粒径最小 小尺寸颗粒较 多 且明显小于其他粉末 置氢量 0122w tTC21粉 末的粒径最大 大尺寸颗粒较多 图 1 置氢 TC21 H w t 合金粉末颗粒形貌 SEM F ig 11 Particlemorphology SEM of hydrogenatedTC21 alloy powder a H 0wt b H 0110wt c H 0122wt d H 0128wt e H 0139wt f H 0150w t 33 航 空 材 料 学 报第 28卷 212 置氢 TC21粉末显微硬度 置氢 TC21粉末显微硬度试验结果如图 2所 示 从中可知 TC21 H 0w t 粉末硬度为 38519 42015 TC21 H 0110 w t 粉末硬度为 38519 42911 TC21 H 0122 w t 粉末硬度为 37114 45616 TC21 H 0128wt 粉末硬度为 36415 图 2 置氢 TC21 H wt 合金粉末显微硬度 Fig 12 V ikersm icrohardness of hydrogenated TC21 alloy powder 41716 TC21 H 0139 w t 粉末硬度为 33615 45314 TC21 H 0150 w t 粉末硬度为 35717 41211 随置氢量的增加 置氢 TC21粉末显微硬度 总体上呈降低的趋势 其中置氢量 0122 w tTC21 粉末的显微硬度值最高且明显高于其他粉末 这是 因为氢作为有效的 B相稳定元素 它增加 B相的数 量 减弱原子间的结合力 提高原子的扩散能力 进 而降低了塑变应力 6 显微硬度降低 213 置氢 TC21粉末颗粒显微组织 置氢 TC21粉末颗粒显微组织如图 3所示 由 图 3可知 置氢 TC21粉末颗粒显微组织呈片状 A B集束状和网篮状组织 由亮相 A和 A相之间暗相 B相组成 置氢量 0 w t 的 TC21粉末中粗大的片 状 A相组织 B晶界很不规则 原始 B晶界上形成 连续的 A相和 B晶粒内存在大量粗大的 A B集束 随着置氢量的增加 TC21粉末颗粒显微组织有了明 显的变化 片状组织变为网篮状组织 A片状较短 A B集束变得细密 而且很不规则 中间则断断续 续 12 图 3 置氢 TC21 H wt 合金粉末颗粒显微组织 SEM F ig 13 Particlem icrostructure SEM of hydrogenatedTC21 alloy po wder a H 0wt b H 0110wt c H 0122wt d H 0128wt e H 0139wt f H 0150wt 214 置氢 TC21粉末颗粒相分析 图 4为置氢 TC21粉末颗粒 X射线衍射图谱 X射线衍射分析结果表明 置氢 TC21钛合金粉末 组织基本上由 A相和 B相组成 其中以 A相居多 随着置氢量的增加 A相逐渐减少 B相逐渐增 多 12 在 TC21粉末置氢量达到 0122 w t 时 有少 量 Ad 相生成 并且 Ad 相随置氢量的增加而逐渐增 多 215 置氢 TC21粉末压制性能 21511 置氢 TC21粉末的压缩性能 由图 5置氢 TC21粉末的压坯密度和成形压力 的关系可知 随置氢量的增加 置氢 TC21粉末的压 34 第 5期置氢对 TC21合金粉末物理性能和压制性能的影响 缩性能基本呈先变差后变好的趋势 但规律性不明 显 其中置氢量 0 w t 0122 w t 0150 w tTC21 粉末的压缩性能较差 且置氢量 0122 w t 粉末的压 缩性能最差 置氢量 0110 w t 0128 w t 0139 w tTC21粉末的压缩性能较好 且置氢量 0139 w t TC21粉末的压缩性能最好 这是因为置氢量 0122w t TC21粉末的显微硬度最大 塑性也最差 且与其他粉末相差较大 使得粉末压缩性能较差 虽 其体积平均径为最大值 影响压缩性能 但其均匀度 较好 粉末颗粒尺寸分布较窄 使其粉末压缩性能较 差 与其他置氢量的 TC21粉末相比其松装密度对 压缩性能的影响不大 故其压缩性能最差 13 置氢 量 0139 w tTC21粉末的显微硬度相对较小 塑性 较好 其松装密度最大 其体积平均径与其他粉末相 比对压缩性能的影响不大 但其均匀度较差 粉末颗 粒尺寸分布较广 使其粉末压缩性能较好 故其压缩 性最好 图 5 置氢 TC21 H wt 粉末压坯密度和 成形压力的关系 F ig15 Relationship bet ween green density and for m ing pressure of hydrogenated TC21 alloy powder 21512 置氢 TC21粉末的成形性能 粉末压坯抗压强度的大小可以衡量粉末的成形 性能的优劣 13 由图 6置氢 TC21粉末的置氢量和 抗压强度 Rd N mm 2 的关系可知 随置氢量的增 加 置氢 TC21粉末的成形性能呈先变差而又逐渐 变好的趋势 置氢量 0150 w tTC21粉末的成形性 能最好 置氢量 0w t 0110 w t 和 0139 w tTC21 粉末的成形性能表现适中 置氢量 0122w t 0128 w tTC21粉末的成形性能较差 21513 置氢 TC21粉末的压制性能 综合置氢 TC21粉末的压缩性能和成形性能的 分析结果可知 置氢量 0110 w t 0139 w tTC21粉 末的压缩性能较好 其成形性能也较好 故压制性能 较好 置氢量 0122 w tTC21粉末的压缩性能较差 其成形性能也较差 故压制性能最差 3 结 论 1 置氢 TC21粉末颗粒形貌为不规则状 某些 颗粒呈片状 颗粒表面较光洁 少附着物 随置氢量 的增加 粉末显微硬度总体上呈降低趋势 其中置氢 量 0122 w tTC21粉末的显微硬度值最高且明显高 于其他粉末 2 置氢 TC21粉末颗粒显微组织由亮相 A相 及 A相之间暗相 B相组成 且呈片状 A B集束状 和网篮状组织 随着置氢量的增加 TC21粉末颗粒 显微组织有了明显的变化 片状组织变为网篮状组 织 A片状较短 A B集束变得细密 A相逐渐减少 B相逐渐增多 且有少量的 Ad 相生成 3 随置氢量的增加 置氢 TC21粉末的压缩性 能先变差后变好 但变化趋势不明显 置氢 TC21粉 末的成形性能先变差而又逐渐变好 综合分析可 35 航 空 材 料 学 报第 28卷 知 置氢量 0110w t 0139w tTC21粉末压制性能 较好 置氢量 0122 w tTC21粉末的压制性能最差 参考文献 1 WANG G S XU G D Proceedings of X I TCcS 98 C Beijing InternationalAcademic Publishers 1999 1093 2 EYLON D NEWMAN JR THONE JK T itanium and t i tanium alloy casting A ASM Handbook M For merly Tenth Edition Princeton ASM Internationa l 1992 634 646 3 罗国珍 周廉 邓炬 中国钛的研究和发展 J 稀有金 属材料与工程 1997 26 5 1 6 4 侯红亮 李志强 王亚军 等 钛合金热氢处理技术及 其应用前景 J 中国有色金属学报 2003 13 3 533 549 5 苏彦庆 骆良顺 毕维升 等 置氢对 Ti6A l4V 合金室 温组织的影响 J 材料科学与工艺 2005 13 1 103 107 6 KERR S M I TH P R Hydrogen as an alloying element in titanium A T itanium 80 science and technology Pro ceeding of the fourth international conference C 1980 2477 2486 7 NAKAH I GASH I J YOSHI MURA H U ltra fine grain re finement and tensile properties of titanium alloys obtained through protium treatment J J ofA lloys and Co mpounds 2002 330 388 8 ELIEZER D ELIAZ N SENKOV O et al Positive effects of hydrogen inmetals J M aterials Science andEngineer ing A 2000 280 220 224 9 Z HANG S Q Z HAO L R Effect of hydrogen on the super plasticity andmicrostructure ofT i6A l4V alloy J J ofA l loys and Co mpounds 1995 218 233 236 10 曲恒磊 赵永庆 朱知寿 等 一种高强韧钛合金及其 加工方法 P 中国国防专利 03105965 1 2003 09 30 11 赵永庆 曲恒磊 冯亮 等 高强高韧损伤容限型钛合 金 TC21研制 J 钛工业进展 2004 21 1 22 24 12 曹兴民 奚正平 赵永庆 TC21合金高温渗氢组织变 化的研究 J 钛工业进展 2005 22 4 16 18 13 黄培云 粉末冶金原理 M 北京 北京冶金工业出 版社 2004 133 Influence ofHydrogenation on Physical and Pressing Properties of TC21 Alloy Powder TI AN Ya qiang 1 CHEN Xiao hui1 HOU Hong liang2 REN Xue ping1 1 M aterials Science and Engineering Schoo l University of Science andTechnology Beijing Beijing 100083 China 2 BeijingA ero nauticalM anufacturing Technology Research Institute Beijing 100024 China Abstract The influence ofhydrogenation on the particle morphology and surface state particlem icrostructure and phase component m icrohardness and pressing property ofTC21 alloy po wderwere investigated by means of SEM po wder inlaid XRD and die for m ing The results sho w that the hydrogenatedTC21 alloy powderwith differ