删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)

Al-V含量对TiH2粉制备钛基合金性能的影响

本站小编 Free考研考试/2021-12-04

Al-V含量对TiH2粉制备钛基合金性能的影响

杨军1,2,马文瑾3,张家敏1,2,杜立辉1,2,易健宏1,2,李凤仙1,2,谈松林1,2,甘国友1,2

(1.昆明理工大学 材料科学与工程学院,昆明 650093;2. 昆明市稀贵及有色金属先进材料重点实验室(昆明理工大学), 昆明 650093;3.莫纳什大学 材料科学与工程学院,墨尔本 3800)]



摘要:

为了揭示Al-V含量对钛基合金性能的影响,以TiH2粉、Ti粉为原料,制备不同含量铝、钒(质量分数:0,2.5%,5%,7.5%,10%)的钛合金试样,通过对样品的力学性能、物相、显微组织、断口形貌的分析,研究了铝钒含量对合金的微观组织和力学性能的影响。结果表明:两种原料对应烧结试样的相主要由密排六方结构α-Ti和少量的体心立方结构β-Ti构成,铝钒含量的增加对烧结样品物相的相对含量无明显影响,但XRD衍射峰稍向右偏移;纯TiH2和纯Ti烧结试样为等轴组织,加入铝、钒合金元素后纯TiH2粉对应的组织为片状组织,纯Ti粉对应的组织以等轴为主,随铝、钒的增加,对应组织形貌变化较小;纯TiH2和纯Ti烧结样品的抗拉强度分别为562.88和513.44 MPa,强度较低,但延伸率高,分别为28.15%和29.09%;随铝、钒含量的增加,TiH2和Ti对应样品的强度、硬度增加,延伸率下降,最大强度值分别为914.10和937.23 MPa,对应的延伸率分别为7.60%和10.89%。随铝钒含量的增加两类合金的脆性增加,塑性降低,加入铝钒后纯TiH2粉对应试样断口形貌主要呈条形花样和少量韧窝,纯Ti粉对应试样断口以韧窝为主。

关键词:  铝钒含量  TiH2  力学性能  粉末冶金  钛基合金

DOI:10.11951/j.issn.1005-0299.20190077

分类号:TG146.2+3

文献标识码:A

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51464027).



Effect of Al-V content on properties of Ti-based alloys prepared by TiH2 powder

YANG Jun1,2, MA Wenjin3, ZHANG Jiamin1,2, DU Lihui1,2, YI Jianhong1,2, LI Fengxian1,2, TAN Songlin1,2, GAN Guoyou1,2

(1. Faculty of Material Science and Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China; 2. Key Laboratory of Advanced Materials of Yunnan Province(Kunming University of Science and Technology), Kunming 650031, China; 3.Faculty of Material Science and Engineering, Monash University, Melbourne 3800,Australia)

Abstract:

To reveal the influence of Al-V content on the properties of titanium based alloys, Ti based alloy samples with different contents of Al and V (mass fraction: 0, 2.5%, 5%, 7.5%, 10%) were prepared from TiH2 powder and Ti powder. The effect of Al-V content on the microstructure and mechanical properties of the alloy was studied by analyzing the mechanical properties, phase, microstructure, and fracture morphology of the samples. The results show that the phase of the two raw materials is mainly composed of close packed hexagonal structure α-Ti and a small amount of body centered cubic structure β-Ti. The increase of aluminum and vanadium content has no obvious effect on the phase relative content of the sintered samples, but the XRD diffraction peak shifts slightly to the right. Pure TiH2 and pure Ti sintered samples are of equiaxed structure. After adding aluminum and vanadium elements, the corresponding structure of pure TiH2 powder is lamellar structure. The corresponding structure of pure Ti powder is mainly of equiaxed structure. With the increase of aluminum and vanadium, the morphology of corresponding structures changed little. The tensile strength of pure TiH2 and pure Ti sintered samples were 562.88 MPa and 513.44 MPa, respectively, and the corresponding elongation is 28.15% and 29.09%, respectively, indicating lower strength but higher elongation. With the increase of Al and V contents, the strength and hardness of TiH2 and Ti corresponding samples increase, and the elongation decrease. The maximum strength values are 914.10 MPa and 937.23 MPa, and the corresponding elongation is 7.60% and 10.89% respectively. With the increase of Al-V content, the brittleness increases and the plasticity decreases. The fracture morphology of pure TiH2 powder with Al-V content is mainly strip pattern and a few dimple. The fracture surface of pure Ti powder with Al-V content is mainly dimples.

Key words:  content of Al and V  TiH2  mechanical properties  powder metallurgy  Ti-based alloys


杨军, 马文瑾, 张家敏, 杜立辉, 易健宏, 李凤仙, 谈松林, 甘国友. Al-V含量对TiH2粉制备钛基合金性能的影响[J]. 材料科学与工艺, 2020, 28(6): 15-21. DOI: 10.11951/j.issn.1005-0299.20190077.
YANG Jun, MA Wenjin, ZHANG Jiamin, DU Lihui, YI Jianhong, LI Fengxian, TAN Songlin, GAN Guoyou. Effect of Al-V content on properties of Ti-based alloys prepared by TiH2 powder[J]. Materials Science and Technology, 2020, 28(6): 15-21. DOI: 10.11951/j.issn.1005-0299.20190077.
基金项目 国家自然科学基金资助项目(51464027) 通信作者 张家敏,E-mail:605188442@qq.com 作者简介 杨军(1993—), 男,硕士研究生;
易健宏(1965—),男, 教授,博士生导师;
甘国友(1965—),男, 教授,博士生导师 文章历史 收稿日期: 2019-04-06 网络出版日期: 2019-11-27


Contents            Abstract            Full text            Figures/Tables            PDF


Al-V含量对TiH2粉制备钛基合金性能的影响
杨军1,2, 马文瑾3, 张家敏1,2, 杜立辉1,2, 易健宏1,2, 李凤仙1,2, 谈松林1,2, 甘国友1,2     
1. 昆明理工大学 材料科学与工程学院, 昆明 650093;
2. 昆明市稀贵及有色金属先进材料重点实验室 (昆明理工大学), 昆明 650093;
3. 莫纳什大学 材料科学与工程学院, 墨尔本 3800

收稿日期: 2019-04-06; 网络出版日期: 2019-11-27
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51464027)
作者简介: 杨军(1993—), 男,硕士研究生;
易健宏(1965—),男, 教授,博士生导师;
甘国友(1965—),男, 教授,博士生导师.
通信作者: 张家敏,E-mail:605188442@qq.com.


摘要: 为了揭示Al-V含量对钛基合金性能的影响,以TiH2粉、Ti粉为原料,制备不同含量铝、钒(质量分数:0,2.5%,5%,7.5%,10%)的钛合金试样,通过对样品的力学性能、物相、显微组织、断口形貌的分析,研究了铝钒含量对合金的微观组织和力学性能的影响。结果表明:两种原料对应烧结试样的相主要由密排六方结构α-Ti和少量的体心立方结构β-Ti构成,铝钒含量的增加对烧结样品物相的相对含量无明显影响,但XRD衍射峰稍向右偏移;纯TiH2和纯Ti烧结试样为等轴组织,加入铝、钒合金元素后纯TiH2粉对应的组织为片状组织,纯Ti粉对应的组织以等轴为主,随铝、钒的增加,对应组织形貌变化较小;纯TiH2和纯Ti烧结样品的抗拉强度分别为562.88和513.44 MPa,强度较低,但延伸率高,分别为28.15%和29.09%;随铝、钒含量的增加, TiH2和Ti对应样品的强度、硬度增加,延伸率下降,最大强度值分别为914.10和937.23 MPa,对应的延伸率分别为7.60%和10.89%。随铝钒含量的增加两类合金的脆性增加,塑性降低,加入铝钒后纯TiH2粉对应试样断口形貌主要呈条形花样和少量韧窝,纯Ti粉对应试样断口以韧窝为主。
关键词: 铝钒含量    TiH2    力学性能    粉末冶金    钛基合金    
Effect of Al-V content on properties of Ti-based alloys prepared by TiH2 powder
YANG Jun1,2, MA Wenjin3, ZHANG Jiamin1,2, DU Lihui1,2, YI Jianhong1,2, LI Fengxian1,2, TAN Songlin1,2, GAN Guoyou1,2     
1. Faculty of Material Science and Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China;
2. Key Laboratory of Advanced Materials of Yunnan Province(Kunming University of Science and Technology), Kunming 650031, China;
3. Faculty of Material Science and Engineering, Monash University, Melbourne 3800, Australia



Abstract: To reveal the influence of Al-V content on the properties of titanium based alloys, Ti based alloy samples with different contents of Al and V (mass fraction: 0, 2.5%, 5%, 7.5%, 10%) were prepared from TiH2 powder and Ti powder. The effect of Al-V content on the microstructure and mechanical properties of the alloy was studied by analyzing the mechanical properties, phase, microstructure, and fracture morphology of the samples. The results show that the phase of the two raw materials is mainly composed of close packed hexagonal structure α-Ti and a small amount of body centered cubic structure β-Ti. The increase of aluminum and vanadium content has no obvious effect on the phase relative content of the sintered samples, but the XRD diffraction peak shifts slightly to the right. Pure TiH2 and pure Ti sintered samples are of equiaxed structure. After adding aluminum and vanadium elements, the corresponding structure of pure TiH2 powder is lamellar structure. The corresponding structure of pure Ti powder is mainly of equiaxed structure. With the increase of aluminum and vanadium, the morphology of corresponding structures changed little. The tensile strength of pure TiH2 and pure Ti sintered samples were 562.88 MPa and 513.44 MPa, respectively, and the corresponding elongation is 28.15% and 29.09%, respectively, indicating lower strength but higher elongation. With the increase of Al and V contents, the strength and hardness of TiH2 and Ti corresponding samples increase, and the elongation decrease. The maximum strength values are 914.10 MPa and 937.23 MPa, and the corresponding elongation is 7.60% and 10.89% respectively. With the increase of Al-V content, the brittleness increases and the plasticity decreases. The fracture morphology of pure TiH2 powder with Al-V content is mainly strip pattern and a few dimple. The fracture surface of pure Ti powder with Al-V content is mainly dimples.
Keywords: content of Al and V    TiH2    mechanical properties    powder metallurgy    Ti-based alloys    
钛及钛合金以其优异的性能广泛应用于制造结构件、紧固件、支架、飞机附件等[1-4]。而钛及钛合金的生产成本过高,迫使制造和加工技术向低成本高性能的方向发展[5-7]。粉末制备钛合金是制备低成本钛合金的主要方式,因此,改善粉末冶金钛制件的力学性能显得尤为重要。孙志雨等[8]研究了烧结温度对TC4(Ti6Al4V)粉末合金显微组织及性能的影响,制备出由α相和β相组成的双相组织,合金抗拉强度高达1 018 MPa,但延伸率较低,为8.1%。Cvijovic等[9]采用球形预合金TC4粉在不同热压条件下制备出抗拉强度为924 MPa和延伸率达11%的试样。沈波涛[10]用TiH2粉末制备了强度达580 MPa、延伸率达26%的纯钛粉末冶金材料,材料塑性较好。李文贤等[11]通过选择性激光熔化成形技术(SLM)制备了抗拉强度为1108 MPa,延伸率为10.53%的TC4合金试样。

上述研究表明,粉末制备合金性能与熔铸制备合金性能相比主要存在脆性大、塑性较差的缺点,因此,提高粉末合金制件的塑性十分必要。合金元素铝、钒的加入对钛材料的塑性有较大影响,娄贯涛[12]等人的研究显示,Al含量对铸造钛合金塑性有明显影响,研究发现,随着铝元素的增加,合金的塑性变差。为此,本文在本课题组前期的研究基础上,选择优化的烧结温度和时间,重点研究了铝钒含量对钛及钛合金(TC4)微观组织与力学性能的影响。

1 实验以TiH2粉、Ti粉、Al-V合金粉为原料,粒度均为325目。将Al-V合金粉按不同质量分数(0,2.5%,5%,7.5%,10%)分别加入TiH2粉及Ti粉中,通过球磨制备成不同铝钒含量的A类(TiH2-Al-V)与B类(Ti-Al-V)混合粉末,混合粉末的化学成分见表 1。再通过等静压压制成直径为(9.5±0.3)mm的压坯。将压坯进行真空烧结,烧结温度1 150 ℃,保温1.5 h,随炉冷却。

表1(Table 1)
表 1 混合粉末的化学成分(质量分数/%)Table 1 The chemical composition of the mixed powder(wt.%) 类型 试样 铝钒质量比 Ti TiH2 Al V 其余

A类 TiH2 0 0 99.74 0 0 0.26

TiH2-1.5Al-1V 2.50 0 97.24 1.45 1.03 0.28

TiH2-3Al-2V 5.00 0 94.74 2.91 2.05 0.30

TiH2-4.5Al-3V 7.50 0 92.25 4.36 3.08 0.31

TiH2-6Al-4V 10.00 0 89.75 5.82 4.11 0.32

B类 Ti 0 99.50 0 0 0 0.50

Ti-1.5Al-1V 2.50 97.01 0 1.45 1.02 0.52

Ti-3Al-2V 5.00 94.53 0 2.90 2.05 0.52

Ti-4.5Al-3V 7.50 92.04 0 4.35 3.07 0.54

Ti-6Al-4V 10.00 89.55 0 5.81 4.10 0.54



表 1 混合粉末的化学成分(质量分数/%)Table 1 The chemical composition of the mixed powder(wt.%)


采用日本SHIMADZU力学性能实验机测试试样拉伸性能,拉伸试样为非标样,如图 1所示。利用德国Axion Scope金相显微镜观察试样组织形貌,中国通达TD-3500型XRD衍射仪对样品进行物相检测,日本电子公司扫描电镜JSM-6460进行断口分析,中国HVST-1000维氏硬度计测试硬度。

图 Figure1(Fig.Figure1)
图 1 压坯(a)及拉伸性能测试试样(b)Fig.1 Blank(a)and tensile test specimen(b)


2 结果与讨论2.1 铝钒含量对合金物相的影响图 2为烧结试样的XRD衍射谱图,可以看到,烧结后试样的相主要由密排六方结构α-Ti和少量的体心立方结构的β-Ti构成。由图 2(a)可知,以TiH2为原料的烧结试样对应的α-Ti最强衍射峰为(101)面,随铝钒含量的升高所对应的衍射峰位置分别为2θ=40.18°,40.26°,40.30°,40.34°,40.46°。由图 2(b)可知,以Ti为原料的烧结试样所对应的α-Ti最强衍射峰为(101)面,随铝钒含量的升高对应的衍射峰位置分别为2θ=40.20°,40.22°,40.30°,40.38°,40.42°;通过纯钛标准PDF卡片α-Ti最强衍射峰对应位置2θ=40.17°可知,铝钒含量越高,α-Ti衍射峰位置向大角度偏移越多。

图 Figure2(Fig.Figure2)
图 2 烧结试样的XRD谱图Fig.2 XRD curves of the samples:(a)TiH2 as raw material; (b)Ti as raw material


根据RIR方法估算物相质量分数[13],计算公式为

${W_{{\rm{ \mathsf{ α} - Ti}}}} = \frac{{{I_{{\rm{ \mathsf{ α} - Ti}}}}}}{{{I_{{\rm{ \mathsf{ α} - Ti}}}} + \frac{{{I_{{\rm{ \mathsf{ α} - Ti}}}}}}{{K_{\rm{ \mathsf{ α} }}^{\rm{ \mathsf{ β} }}}}}} \times 100\% $ (1)

${W_{{\rm{ \mathsf{ β} - Ti}}}} = \frac{{{I_{{\rm{ \mathsf{ β} - Ti}}}}}}{{{I_{{\rm{ \mathsf{ β} - Ti}}}} + {I_{{\rm{ \mathsf{ β} - Ti}}}}K_{\rm{ \mathsf{ α} }}^{\rm{ \mathsf{ β} }}}} \times 100\% = 1 - {W_{{\rm{ \mathsf{ α} - Ti}}}}$ (2)

$K_{\rm{ \mathsf{ α} }}^{\rm{ \mathsf{ β} }} = \frac{{{K_{\rm{ \mathsf{ β} }}}}}{{{K_{\rm{ \mathsf{ α} }}}}}$ (3)

式中:W为物相的质量分数;查询PDF卡片得Kα=0.9,Kβ=8.68;Iα-TiIβ-Ti的值通过Jade软件分析衍射谱图得到。根据式(1)~(3)可求得试样中α-Ti与β-Ti的相对含量如表 2所示。由表 2可知,α-Ti为主相,β-Ti相的含量较少。在该烧结条件下,随铝钒含量的增加α-Ti与β-Ti的物相质量分数变化较小。

表2(Table 2)
表 2 α-Ti与β-Ti的物相质量分数Table 2 Phase mass fractions of α-Ti and β-Ti试样 w(α-Ti)% w(β-Ti)%

TiH2 98.70 1.30

TiH2-1.5Al-1V 99.04 0.96

TiH2-3Al-2V 99.28 0.72

TiH2-4.5Al-3V 98.60 1.40

TiH2-6Al-4V 99.65 0.35

Ti 97.95 2.05

Ti-1.5Al-1V 98.95 1.05

Ti-3Al-2V 99.03 0.97

Ti-4.5Al-3V 97.40 2.60

Ti-6Al-4V 97.30 2.70



表 2 α-Ti与β-Ti的物相质量分数Table 2 Phase mass fractions of α-Ti and β-Ti


利用jade软件对试样烧结后α-Ti晶格常数进行分析,结果如表 3所示,与标准PDF卡片α-Ti晶格常数a=2.951,b=2.951,c=4.683,对比可知,随铝钒含量增加,晶格常数a和晶格常数b减小,晶格常数c增加,晶轴比增加。分析可知,Al作为α-Ti稳定元素是引起α-Ti晶格常数减小的主要原因,Al的原子半径远小于Ti的原子半径,Al原子占据了一部分Ti原子的晶格位置,形成置换固溶体,导致α-Ti产生晶格畸变,从而引起晶格常数变化。从表 3结果看,Al元素主要影响晶格常数a和晶格常数b,对晶格常数c影响较小。晶格常数c增加的原因可能是间隙元素进入了钛的晶格间隙中。

表3(Table 3)
表 3 α-Ti晶格常数的变化Table 3 The change of α-Ti lattice constant 试样 a=b c c/a

A类 TiH2 2.951 4.686 1.588

TiH2-1.5Al-1V 2.948 4.691 1.591

TiH2-3Al-2V 2.938 4.692 1.597

TiH2-4.5Al-3V 2.938 4.688 1.597

TiH2-6Al-4V 2.928 4.685 1.600

B类 Ti 2.949 4.695 1.592

Ti-1.5Al-1V 2.945 4.696 1.595

Ti-3Al-2V 2.941 4.690 1.595

Ti-4.5Al-3V 2.936 4.690 1.597

Ti-6Al-4V 2.932 4.688 1.599



表 3 α-Ti晶格常数的变化Table 3 The change of α-Ti lattice constant


2.2 铝钒含量对试样相对密度的影响图 3为试样烧结前后的相对密度。由图 3可知,在相同压制条件下,以TiH2为原料的试样烧结前相对密度在58.96%~61.87%,而以Ti粉为原料的试样烧结前相对密度在63.78%~70.35%,以TiH2粉为原料的试样比以Ti粉为原料的试样成型性差,原因是TiH2粉较Ti粉具有更高的硬度和脆性,难于压制成型。试样经过真空烧结后,以TiH2为原料的试样相对密度在98.12%~99.97%,以Ti为原料的试样的相对密度在95.05%~96.89%,TiH2为原料的试样的相对密度更高,更易致密。由图 3可知,压坯相对密度对烧结后试样相对密度影响较小;铝钒含量对烧结前后样品密度影响不大。以TiH2粉为原料的试样烧结后具有更高致密度,这是由于氢在钛的晶格间隙中,弱化了钛原子之间的结合强度[14],同时在真空烧结过程中伴随脱氢,氢的扩散能力很强,在扩散过程中使得原始晶界变得模糊,使晶粒发生破碎,晶粒尺寸越小,材料颗粒越小,颗粒表面能也越高,其烧结驱动力越大,越易于烧结致密化[15],另外,脱氢过程伴随多级相变,晶格缺陷较多,有助于烧结过程进行。

图 Figure3(Fig.Figure3)
图 3 试样烧结前后的相对密度Fig.3 Relative density of specimens before and after sintering


2.3 铝钒含量对合金金相组织的影响图 4为试样的金相组织,图 4(a)~(c)分别是以TiH2为原料的试样的金相组织形貌;图 4(d)~(f)分别是以Ti为原料的试样的金相组织形貌。图 4(a)与(d)均为等轴组织,组织形态、尺寸基本相同。试样中加入铝钒后,以TiH2粉为原料的试样以片状组织为主,而以Ti粉为原料的试样以等轴组织为主。对于以TiH2粉或以Ti粉为原料的试样,铝钒含量的增加对试样组织形貌的影响较小,但两种粉末原料加入铝钒后试样的组织形貌不同。原因是以TiH2粉为原料的试样在脱氢过程中,伴随着多级相变TiH2→TiHx+Ti+H,TiHx→Ti+H,因此,引起严重的晶格畸变,使新生成的Ti产生大量新鲜的活性表面,表面能更高,较以Ti粉为原料的试样更易于致密化[16],使以TiH2粉为原料的试样在保温阶段有更充分的时间使高温组织变得粗大,晶界也变少;当试样从β相区冷却时,β-Ti为α-Ti提供了12个不同取向,初生的单个α相层片按照不同的取向关系形核长大,在长大过程中,由于粗大的高温组织使初生α相层片的生长阻力很小,因此,有利于形成不同取向的片状组织[17]。而以Ti粉为原料的试样在保温结束后高温组织较为细小,晶界较多,在冷却过程中形核数也越多,因此,在初生α相按照不同取向形核长大过程中,晶界和其他初生α相会严重阻碍初生α相的长大,导致在随炉冷却后组织保留为细小的等轴组织。

图 Figure4(Fig.Figure4)
图 4 不同铝钒含量的合金金相组织Fig.4 Metallographic microstructure of alloy with different content of aluminum and vanadium


2.4 铝钒含量对合金力学性能的影响表 4为试样的拉伸力学性能。由表 4可知,纯TiH2和纯Ti烧结样品的抗拉强度分别为562.88和513.44 MPa,延伸率分别为28.15%和29.09%。随铝钒含量的增加,TiH2和Ti对应样品的强度和硬度增加,延伸率下降,最大强度值分别为914.10和937.23 MPa,对应的延伸率分别为7.60%和10.89%。在铝钒含量相同的条件下,纯Ti粉烧结样品对应的试样其延伸率略高,但当铝、钒含量低于7.5%时抗拉强度相较更低。

表4(Table 4)
表 4 试样的拉伸性能Table 4 Tensile mechanical properties of specimens试样 铝钒质量分数/% Rm/ MPa R0.2/ MPa δ/% HV

TiH2 0 562.88 486.46 28.15 228.51

TiH2-1.5Al-1V 2.50 720.97 668.85 28.57 275.19

TiH2-3Al-2V 5.00 839.08 775.06 21.40 318.23

TiH2-4.5Al-3V 7.50 900.43 876.93 15.76 340.58

TiH2-6Al-4V 10.00 914.10 861.80 7.60 355.52

Ti 0 513.44 455.36 29.09 237.70

Ti-1.5Al-1V 2.50 670.62 620.04 29.04 283.06

Ti-3Al-2V 5.00 802.07 732.27 26.54 309.83

Ti-4.5Al-3V 7.50 903.47 849.18 16.32 325.00

Ti-6Al-4V 10.00 937.23 869.79 10.89 376.79



表 4 试样的拉伸性能Table 4 Tensile mechanical properties of specimens


钛基合金力学性能的改变主要由以下原因造成:Al、V、Ti具有不同的原子半径和电子结构,Al和V融入钛基体时会导致Ti晶格变化,引起原子尺寸效应,从而产生固溶强化效果。随着Al,V元素的增加,固溶强化效果更加明显,但固溶强化的同时,由XRD晶格常数分析,Al的融入使α-Ti的晶轴比(c/a)由1.588变为1.600,导致晶格棱柱面的间距减少,使得棱柱堆垛面的堆垛密度较基体有所减少,不利于棱柱面上的滑移,减少了滑移系[18]。由于合金中β-Ti的相对含量较少,对材料塑性不利,导致材料的塑性较差。在本研究中,钛合金随Al、V含量的增加总体上强度增加而塑性和韧性下降。

另外,基于两种不同原料制备钛合金的抗拉强度等数值,采用回归分析,进一步研究了Al、V含量对合金力学性能影响的程度。

$\begin{array}{*{20}{l}}{{R_{{\rm{m(Ti}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{ 为原料 )}}}}\ \ = 611.265 + 60.607{\kern 1pt} {\kern 1pt} 3\omega ({\rm{Al}}) - }\\{{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 0.009{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 5\omega ({\rm{V}})}\end{array}$ (4)

回归方程的显著性检验:

$F = 9.066{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 54 > {F_{0.1}}(2,2) = 9.00$ (5)

$\begin{array}{l}{R_{{\rm{m(Ti 为原料 )}}}} \ \ = 549.49 + 74.382{\kern 1pt} {\kern 1pt} 2\omega ({\rm{Al}}) + \\{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 0.00914({\rm{V}})\end{array}$ (6)

回归方程的显著性检验:

$F = 20.347{\kern 1pt} {\kern 1pt} 3 > {F_{0.1}}(2,2) = 9.00$ (7)

$\begin{array}{*{20}{c}}{{\delta _{{\rm{(Ti}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{ 为原料 )}}}}\ \ = 31.073{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 1 - 3.706{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 9\omega ({\rm{Al}}) + }\\{0.001{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 2\omega ({\rm{V}})}\end{array}$ (8)

回归方程的显著性检验:

$F = 13.003{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 9 > {F_{0.1}}(2,2) = 9.00$ (9)

$\begin{array}{*{20}{c}}{{\delta _{{\rm{(Ti}}{\kern 1pt} {\rm{为原料}}){\rm{}}}}\ \ = 31.995{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 2 - 3.384\omega ({\rm{Al}}) + }\\{0.000{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 5\omega ({\rm{V}})}\end{array}$ (10)

归方程的显著性检验:

$F = 9.099{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 9 > {F_{0.1}}(2,2) = 9.00$ (11)

式中F为显著性检验值。

F可知,各元素的相关性好,方程有效。由式(4),(6)和(8),(10)可知,本研究中Al元素对合金的强度和塑性起主要影响,V的影响相对较小。

对应图 3的金相组织可知,以TiH2为原料加入铝钒的试样其组织形貌为片层状且较粗大,而以Ti粉为原料的对应试样组织形貌为细小的等轴晶。当受到外力作用,片层组织的变形需要丛域中位错平面滑移以同一形式发生,所需应力大,滑移过程中受到界面的阻碍,引起界面处的应力集中,片层组织越粗大,片状丛域相互传递的协调变形能力越差,导致空洞和裂纹的形成并快速扩展,因此,片层组织的强度高但塑性低[19]。而细小的等轴组织受外力作用时,变形是在α相的个别晶粒中以滑移开始的,所需应力小,随着应变量的增加,滑移向周围的晶粒扩展,减少界面的应力集中,有效防止裂纹的产生,从而使得塑性增加; 同时,由于等轴组织较为细小,而片状组织粗大,细小的等轴组织产生细晶强化,提高了强度。

2.5 断口形貌分析图 5为试样拉伸断口形貌。图 5(a)是试样TiH2的断口形貌,为典型的韧窝结构;图 5(b)是试样TiH2-3Al-2V的断口形貌,以韧窝为主,同时存在一部分沿片层组织晶界脆性断裂的条形花样;图 5(c)是试样TiH2-6Al-4V的断口形貌,可以看到,除韧窝外有大量的条形花样;图 5(d),(e)和(f)分别是试样Ti,Ti-3Al-2V,Ti-6Al-4V的拉伸断口形貌,可以看到,断口全部为韧窝状形貌。由图 5可知,纯TiH2粉和纯Ti粉烧结后的断口均呈韧性断裂,但随合金元素铝、钒增加, 以TiH2为原料的试样断口的沿晶断裂形貌增加,而以Ti为原料的试样断口的形貌全部以韧窝为主,但韧窝变浅。综上,随铝、钒含量的增加,两类合金的脆性形貌增加。同时,加入铝、钒后的两类合金试样断口形貌不同,纯TiH2粉对应试样形貌以条形花样为主,纯Ti粉对应试样以韧窝为主,原因是纯TiH2加入铝钒后对应试样的组织以片状组织为主,而纯Ti加入铝钒后对应试样组织以等轴组织为主,说明等轴组织较片状组织不易产生沿晶断裂,且韧性更好。

图 Figure5(Fig.Figure5)
图 5 试样拉伸断口形貌Fig.5 Tensile fracture morphology of specimens


3 结论1) 两种原料对应烧结试样的相主要由密排六方结构的α-Ti和少量的体心立方结构的β-Ti构成,随铝、钒含量的增加,XRD衍射峰向右偏移量越大,晶轴比(c/a)增加。

2) 纯TiH2和纯Ti烧结样品均为等轴组织;加入铝、钒合金元素后,TiH2对应烧结样品呈片状组织,Ti对应试样为等轴组织,两类合金随铝、钒含量的增加各自对应组织形貌的变化较小。TiH2为原料对应样品烧结后相对密度高于Ti对应烧结样品。

3) 烧结纯TiH2和纯Ti对应样品的抗拉强度分别为562.88和513.44 MPa,强度均较低,但延伸率较高,分别为28.15%和29.09%;随铝、钒含量的增加,TiH2和Ti对应样品的强度增加,延伸率下降,最大强度分别为914.10和937.23 MPa,对应延伸率分别为7.60%和10.89%;同时,当铝、钒含量相同时,纯Ti对应烧结样品的延伸率略高,但当铝、钒含量低于7.5%时抗拉强度相较更低。

4) 烧结TiH2和Ti对应样品的断口形貌为典型的韧窝结构,随铝、钒含量的增加两类合金的脆性断裂形貌增加,塑性降低。加入铝钒的两类合金试样断口形貌不同,TiH2对应试样形貌主要呈条形花样和少量韧窝,Ti对应试样以韧窝为主。


参考文献
[1] ZHAO Y, HE Y, JIANG Y, et al. Research on preparation of Ti6Al4V alloy using powder metallurgy[J]. Powder Metallurgy Technology, 2009, 27(2): 108-113.


[2] ADEBIYI D I, POPOOLA A P I, PITYANA S L. Phase constituents and microhardness of laser alloyed Ti-6Al-4V alloy[J]. Journal of Laser Applications, 2015, 27(S2): S29104. DOI:10.2351/1.4906388


[3] MIN L I, YU Haiping, LI Chunfeng, et al. Effects of compaction method and sintering process on microstructure and properties of Ti6Al4V alloy prepared by sintering of hydrogenerated powder[J]. Materials Science & Engineering of Powder Metallurgy, 2011, 16(2): 279-284.


[4] LV Y H, LI J, TAO Y F, et al. High-temperature wear and oxidation behaviors of TiNi/Ti2Ni matrix composite coatings with TaC addition prepared on Ti6Al4V by laser cladding[J]. Applied Surface Science, 2017, 402: 478-494. DOI:10.1016/j.apsusc.2017.01.118


[5] GUO R P, XU L, WU J, et al. Preparation and mechanical properties of powder metallurgy Ti6Al4V alloy produced by hot isostatic pressing[J]. Materials Research Innovations, 2016, 19(sup9): S9-17-S9-19.


[6] LUO X T, WEI Y K, WANG Y, et al. Microstructure and mechanical property of Ti and Ti6Al4V prepared by an in-situ, shot peening assisted cold spraying[J]. Materials & Design, 2015, 85(5): 527-533.


[7] 来晓君, 吕维洁, 覃继宁, 等. 铝含量对TB5钛合金组织和力学性能的影响[J]. 机械工程材料, 2010, 34(5): 20-22.
LAI Xiaojun, LV Weijie, TAN Jining, et al. Influence of Al content on microstructure and mechanical properties of TB5 titanium alloy[J]. Mecha nical Engineering Materials, 2010, 34(5): 20-22.


[8] 孙志雨, 李建崇, 朱郎平, 等. 烧结温度对TC4合金显微组织及性能的影响[J]. 特种铸造及有色合金, 2017, 37(4): 362-366.
SUN Zhiyu, LI Jianchong, ZHU Langping, et al. Effects of sintering temperature on microstructure and performance of TC4 alloys[J]. Special Casting and Non-ferrous Alloy, 2017, 37(4): 362-366.


[9] BO?I?Du?an, CVIJOVI? Ivana, VILOTIJEVI? Miroljub, et al. The influence of microstructural characteristics on the mechanical properties of Ti6Al4V alloy produced by the powder metallurgy technique[J]. Journal of the Serbian Chemical Society, 2006, 71(8-9): 985-992. DOI:10.2298/JSC060998513


[10] 沈波涛.粉末冶金法制备钛及钛合金[D].昆明: 昆明理工大学, 2012.
SHEN Botao. Preparation of Titanium and Titanium Alloys by Powder Metallurgy[D]. Kunming : Kunming University of Technology, 2012.


[11] LI Wenxian, YI anqing, LIU H, et al. Effect of the heat treatment process on microstructure and mechanical properties of the TC4 alloy processed by selective laser melting[J]. Materials Science & Engineering of Powder Metallurgy, 2017, 22(1): 70-78.


[12] 娄贯涛, 孙建科, 杨学东, 等. Al、Mo含量对铸造钛合金力学性能的影响[J]. 材料开发与应用, 2003, 18(4): 32-35.
LOU Guantao, SUN Jianke, YANG Xuedong, et al. Effects of Al and Mo on mechanical properties of cast titanium alloys[J]. Material development and application, 2003, 18(4): 32-35. DOI:10.3969/j.issn.1003-1545.2003.04.010


[13] 黄继武. MDI Jade使用手册-X射线衍射实验操作指导[M]. 长沙: 中南大学, 2006: 24-25.


[14] 李辉. 钛-氢固溶体的特性[J]. 中国材料进展, 2005, 24(8): 42-42.
LI Hui. Properties of titanium-hydrogen solid solutions[J]. Progress in Materials in China, 2005, 24(8): 42-42. DOI:10.3969/j.issn.1674-3962.2005.08.013


[15] 田亚强, 侯红亮, 任学平. 置氢钛合金粉末模压成形-烧结改性机理[J]. 航空材料学报, 2011, 31(3): 1-7.
TIAN Yaqiang, HOU Hongliang, REN Xueping. Study on modification and mechanism of titanium alloy by die forming and sintering utilizing hydrogenated powder[J]. Journal of Aviation Materials, 2011, 31(3): 1-7.


[16] 庄洪宇, 潘学民. TiH2对合成Al-Ti-B合金组织及细化行为的影响[J]. 特种铸造及有色合金, 2007, 27(11): 887-890.
ZHUANG Hongyu, PAN Xuemin. Effects of TiH2 on microstructure and refining behavior of Al-Ti-B master alloy prepared by SHS[J]. Special Casting and Non-ferrous Alloys, 2007, 27(11): 887-890.


[17] 邹黎明, 毛新华, 刘辛. 粉末粒度对热压Ti-6Al-4V合金微观组织和力学性能的影响[J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2016, 21(2): 217-222.
ZOU Liming, MAO Xinhua, LIU Xin. ffect of particle size on microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V alloy prepared by hot press[J]. Science and Engineering of Powder Metallurgical Materials, 2016, 21(2): 217-222.


[18] 周蕊.纯钛催化脱脂工艺及氧对注射成形纯钛力学行为及变形微观机制的影响研究[D].长沙: 中南大学, 2014.
ZHOU Rui. Study on the effect of pure titanium catalytic degreasing process and oxygen on mechanical behavior and deformation micro-mechanism of pure titanium in injection moulding[D].Changsha: Zhongnan University, 2014.


[19] 周晓舟, 易丹青, 刘会群, 等. 显微组织对TC18钛合金高温力学性能的影响[J]. 热加工工艺, 2016(6): 98-101.
ZHOU Xiaozhou, YI Danqing, LIU Huiqun, et al. Effects of microstructure on high temperature mechanical properties of TC18 titanium alloy[J]. Hot Processing Technology, 2016(6): 98-101.



相关话题/组织 结构 昆明理工大学 材料科学与工程学院 文献

  • 领限时大额优惠券,享本站正版考研考试资料!
    大额优惠券
    优惠券领取后72小时内有效,10万种最新考研考试考证类电子打印资料任你选。涵盖全国500余所院校考研专业课、200多种职业资格考试、1100多种经典教材,产品类型包含电子书、题库、全套资料以及视频,无论您是考研复习、考证刷题,还是考前冲刺等,不同类型的产品可满足您学习上的不同需求。 ...
    本站小编 Free壹佰分学习网 2022-09-19
  • 无掩模定域性电沉积三维微结构的工艺研究
    无掩模定域性电沉积三维微结构的工艺研究吴建辉,吴蒙华,王元刚,贾卫平(大连大学机械工程学院,辽宁大连116622)摘要:在无掩模定域性电沉积增材制造三维金属微结构的工艺试验过程中,针对成型质量、速度与可重复性的基本要求,采用控制单一变量法和正交实验法研究了极间电压、脉冲占空比、极间距等主要工艺参数对 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-04
  • 球形分流对等通道转角挤压工业纯铝组织性能的影响
    球形分流对等通道转角挤压工业纯铝组织性能的影响张翔1,3,王晓溪2,张德坤1,曹秉宇2,周怡2(1.中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221116;2.徐州工程学院机电工程学院,江苏徐州221018;3.高端工程机械智能制造国家重点实验室,江苏徐州221004)摘要:基于传统等通道转角挤压(Equa ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-04
  • 高超声速环境D6AC钢结构多物理场耦合模拟
    高超声速环境D6AC钢结构多物理场耦合模拟王文瑞1,2,叶伟1,王帅3,温晓东4(1.北京科技大学机械工程学院,北京100083;2.北京科技大学流体与物质相互作用教育部重点实验室,北京100083;3.中国航天科工集团有限公司磁悬浮与电磁推进技术研究院,北京100143;4.天津航天机电设备研究所 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-04
  • 山地轨道运载机牵引钢丝绳空间结构分析与几何建模
    山地轨道运载机牵引钢丝绳空间结构分析与几何建模欧阳玉平1,4,王天玉1,孙晗1,孙旭东1,2,洪添胜3,黄志平4,姜小刚1,2(1.华东交通大学机电与车辆工程学院,南昌330013;2.载运工具与装备教育部重点实验室(华东交通大学),南昌330013;3.华南农业大学工程学院,广州510642;4. ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-04
  • 基于K-mer扭转角偏好的蛋白质结构类型预测
    基于K-mer扭转角偏好的蛋白质结构类型预测万晓耕(北京化工大学数理学院,北京100029)摘要:蛋白质的序列、结构和功能多种多样。大量研究表明蛋白质的结构与其氨基酸序列的排序有关,并且局部的氨基酸序列环境对蛋白质的结构具有一定的影响。本文提出一种新的基于5-mer氨基酸扭转角统计偏好的蛋白质结构类 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-04
  • 盘型悬式绝缘子瓷件的应力分析和结构优化
    盘型悬式绝缘子瓷件的应力分析和结构优化张廼龙1,刘洋1,高嵩1,陈杰1,荆宇航2(1.国网江苏省电力有限公司电力科学研究院,南京211103;2.哈尔滨工业大学航天科学与力学系,哈尔滨150001)摘要:为减少盘型悬式绝缘子断裂事故的发生,研究了绝缘子瓷件的应力水平以及结构的优化.建立盘型悬式绝缘子 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-04
  • 天祝白牦牛与黄牛NGB蛋白三级结构比较分析
    天祝白牦牛与黄牛NGB蛋白三级结构比较分析米晓钰1,李乔1,马睿1,朱晓林1,温永强1,刘霞1,杜晓华2(1.甘肃农业大学生命科学技术学院,兰州730070;2.甘肃农业大学动物医学院,兰州730070)摘要:通过比较天祝白牦牛(Bosgrunniens)与黄牛(Bostaurus)NGB蛋 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-04
  • 小鼠APOBEC3的结构与功能分析
    小鼠APOBEC3的结构与功能分析吴小霞,许天委,李国寅(琼台师范学院琼台儿童认知与行为发展研究中心,海口571127)摘要:随着对APOBEC3抗病毒功能的深入研究以及其在癌症中的表现,APOBEC3已成为当前的热点。小鼠只有一个APOBEC3基因,而人类有七个APOBEC3基因,人类APOBEC ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-04
  • 结合道路结构化特征的语义SLAM算法
    结合道路结构化特征的语义SLAM算法李琳辉,张溪桐,连静,周雅夫,郑伟娜(工业装备结构分析国家重点实验室(大连理工大学),辽宁大连116024)摘要:视觉SLAM(simultaneouslocalizationandmapping)是智能车辆领域的研究热点,在包含运动目标干扰或近景特征不显著的场景 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-04
  • 毗邻互通立交特长隧道交通组织方法
    毗邻互通立交特长隧道交通组织方法马兆有1,2,方守恩1,刘硕1,苏东兰3(1.道路与交通工程教育部重点实验室(同济大学),上海201804;2.道路交通安全公安部重点实验室(公安部交通管理科学研究所),江苏无锡214151;3.苏州科技大学土木工程学院,江苏苏州215011)摘要:为响应毗邻互通立交 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-04