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 Jun^1,2, MA Wenjin³, ZHANG Jiamin^1,2, DU Lihui^1,2, YI Jianhong^1,2, LI Fengxian^1,2, TAN Songlin^1,2, GAN Guoyou^1,2

(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 Jun^1,2, MA Wenjin³, ZHANG Jiamin^1,2, DU Lihui^1,2, YI Jianhong^1,2, LI Fengxian^1,2, TAN Songlin^1,2, GAN Guoyou^1,2     
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K_α=0.9，K_β=8.68；I_α-Ti和I_β-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/% R_m/ MPa R_0.2/ 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。

由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。


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