文章编号：1004-0609(2011)06-1265-07

Mo、V和Ag对粉末冶金Ti-5Al合金组织与力学性能的影响

肖代红，杨宝刚，申婷婷，袁铁锤，贺跃辉，王守仁

(中南大学 粉末冶金国家重点实验室，长沙 410083)

摘  要：采用元素混合法制备粉末冶金Ti-Al-Mo-V-Ag合金，通过金相观察、扫描电镜及力学性能测试等方法研究Mo、V和Ag的添加及烧结温度对Ti-5Al合金的烧结行为、显微组织与力学性能影响，并对其作用机制进行探讨。结果表明：1 350 ℃烧结时，V与Mo的添加能改善烧结合金的压缩强度，单独添加Ag时，则降低基体合金的综合性能，但当Ag与Mo、V同时添加到基体合金中时，改变合金的显微组织，提高烧结合金的致密度与抗压缩强度，致密度能达到96%，抗压缩强度达到1 782 MPa。同时，烧结温度不同时，相同成分的粉末冶金Ti-5Al合金的显微组织与性能也表现出不同的特征。

关键词：钛合金；微合金化；烧结温度；显微组织；力学性能

中图分类号：TG 146.23　　     文献标志码：A

Effects of Mo, V and Ag additions on microstructure and mechanical properties of powder metallurgy Ti-5Al alloy

XIAO Dai-hong, YANG Bao-gang, SHEN Ting-ting, YUAN Tie-chui, HE Yue-hui, WANG Shou-ren

(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The powder metallurgy (P/M) Ti-Al-Mo-V-Ag alloys were processed by powder metallurgy using the blended elemental (BE) technique. The effects of Mo, V and Ag additions and sintering temperature on the microstructures and mechanical properties of the Ti-5Al alloys were investigated using optical microscope, scanning electron microscope and mechanical properties tests. The results show that adding Mo or V elements improves the compression strength of the based alloys after sintering at 1 350 ℃, and Ag element addition decreases the properties of Ti-5Al alloy. However, adding Ag element with Mo and V elements increases the density and compressive strength of P/M Ti-5Al alloy. The relative density and compressive strength of the Ti-5Al-4Mo-4V-5Ag alloy are 96% and 1 782 MPa, respectively. Moreover, the sintering temperature also affects the microstructures and properties of the PM Ti-5Al based alloys.

Key words: titanium alloys; microalloying; sintering temperature; microstructure; mechanical properties

目前已研制的低铝含量(2%~6%)粉末冶金钛合金因具有较高强度、良好耐热抗蠕变性能，而受到广泛的关注^[9-12]。由于合金化元素对粉末冶金钛合金具有重要影响^[13]，为此，本文作者拟采用元素混合法制备Ti-5Al基合金，通过低压烧结，研究Mo、V和Ag等的添加及不同烧结温度对基体合金的组织与性能影响，为实际工业生产提供可行性参考。

1  实验

试验用钛合金的名义成分如表1所列，原料为钛粉、钼粉、铝粉、银粉、铝-钒中间合金粉，平均晶粒尺寸分别为48、1.5、2.6、0.7及74 μm。按照配比称量粉末后，在行星式球磨机中通过氩气保护进行湿磨24 h后，在真空干燥箱中干燥处理。干燥后的粉末采用钢模压制成型，压力为300 MPa。压坯在5 MPa    氩气环境中进行低压烧结，烧结温度分别为1 150、   1 250和1 350 ℃。烧结后样品密度采用阿基米德排水法测量。试样抛光后采用Kroll试剂腐蚀并进行金相观察。压缩测试的样品尺寸采用d 6 mm×7 mm，加载速率为1 mm/min。断口观察在FEI-Nano230型场发射扫描电镜上进行。

表1  试验合金的名义成分

Table 1  Nominal composition of samples

2  结果与分析

2.1  合金的显微组织

3种不同烧结温度下的金相显微组织如图1、2及3所示。很明显，在相同烧结温度下，不同成分的Ti-5Al基合金的组织明显不同。经1 350 ℃烧结后(见图1)，随着添加合金元素的不同，合金中孔隙数量及显微组织明显不同，合金1为α型合金；而添加Mo的合金2，显微组织由原始β晶粒及粗大片状α相组成。含Ag合金3中，孔隙数量较多且粗大，合金4的主要组织为等轴α相及少量β相，而合金5是典型的α+β双态组织，由等轴α相、原始β晶粒、β晶粒内的片状α相及α晶团组成。当同时含Mo、V、Ag时，合金6的组织为魏德曼组织(Widmanstaetten structure)，这种组织由原始β晶粒、片状α相及α晶团组成。经1 250 ℃烧结后(见图2)，合金1为α型合金，合金3中孔隙数量较多且粗大，合金2与4的主要组织为等轴α相及少量β相，合金5是典型的α+β双态组织，而合金6的组织为魏德曼组织。当降低烧结温度至   1 150 ℃后(见图3)，合金1与2为α型合金，合金3中孔隙数量较多且粗大，合金4的主要组织为等轴α相及少量β相，合金5是典型的α+β双态组织，而合金6的组织为魏德曼组织。
 

图1  试样在1 350 ℃烧结后的金相组织

Fig.1  Optical microstructures of samples after sintering at 1 350℃: (a) Alloy 1; (b) Alloy 2; (c) Alloy 3; (d) Alloy 4; (e) Alloy 5;  (f) Alloy 6

图2  试样在1 250 ℃烧结后的金相组织

Fig.2  Optical microstructures of samples after sintering at 1 250 ℃: (a) Alloy 1; (b) Alloy 2; (c) Alloy 3; (d) Alloy 4; (e) Alloy 5;  (f) Alloy 6
 

另外，对相同成分的合金，不同烧结温度下，其显微组织也有明显的不同。对合金1，当烧结温度降低时，合金尽管均为α型合金，但晶粒尺寸减小。而合金2的烧结温度从1 350 ℃降低到1 150 ℃时，其组织也发生了明显的变化，1 350 ℃时，合金的组织由   α相与β相组成，而1 150 ℃时，合金的组织为α相。合金3在不同烧结温度下烧结后，均含有大量的空隙，只是孔隙数量不同。而对合金6，不同烧结下的组织均为魏德曼组织，只是片状α相的厚度不同，1 350 ℃烧结时的α相的厚度较1 150 ℃大。
 

图3  试样在1 150 ℃烧结后的金相组织

Fig.3  Optical microstructures of samples after sintering at 1 150 ℃: (a) Alloy 1; (b) Alloy 2; (c) Alloy 3; (d) Alloy 4; (e) Alloy 5; (f) Alloy 6
 

粉末冶金钛合金的显微组织主要受合金成分影响，尽管Mo、V、Ag均为β相稳定元素，但所起的作用却不同。Mo与V元素是同晶型β相稳定元素，它们与β相晶格类型相同，可无限固溶于β相中，无化合物相产生，主要起到固溶强化作用。而Ag元素是一种共析型β相稳定元素，与钛会发生共析转变，生成TiAg化合物相(见图5(f))，较强烈降低(α+β)/β相点，使得合金中易生成片状组织^[14]。烧结温度不同时，由于各元素扩散激活能不同，所产生的组织也不同，而高温烧结有助于合金元素的扩散，使β相稳定元素在基体合金中的固溶更为充分，从而在炉冷过程中，得到有效的析出。

2.2  合金的力学性能

对1 350 ℃烧结试样进行密度测试显示(见图4(a))，合金1的相对密度达到了90%；添加4%Mo合金2的相对密度达到了93%；添加5%Ag合金3的密度则降低至79%；而在基体合金中添加4%V时，合金4的相对密度相对合金1的没有明显变化；当同时在基体合金中添加4%Mo和4%V时，合金5的相对密度达到94%；而在合金5的基础上，再添加5%Ag后，合金6的相对密度提高到96%以上。对烧结态合金进行压缩性能测试显示(见图4(b))，基体合金的抗压塑强度达到了1 485 MPa，而含Mo合金2的抗压  缩强度提高到了1 634 MPa，但只添加Ag或V的合金3和4的抗压缩强度分别只有385 MPa和901 MPa。而同时添加Mo和V的合金5的抗压缩强度达到1 531 MPa，当在合金5的基础上进一步添加5%Ag时，合金6的抗压缩强度则达到1 782 MPa。

1 250 ℃烧结后的性能如图4(c)与(d)所示，合金1的致密度为88%，合金2的致密度则为92%，合金3的致密度则降低到78%，合金4的致密度为85%，合金5的致密度提到91%，当同时添加Mo、V和Ag时，合金6的致密度进一步提到94.5%。压缩性能测试显示，合金1、2、5和6的抗压缩强度分别达到了1 356、1 427、1 498和1 601 MPa。

经1 150 ℃烧结后(见图4(e)与(f))，6种合金的致密度分别为85.7%、89.6%、74.5%、82.7%、90.7%和93%；而抗压缩强度分别为1 250、1 332、287、513、1 400和1 580 MPa。1 250 ℃及1 150 ℃烧结后，合金成分对材料的致密度及压缩性能的影响与1 350 ℃时相类似。

上述表明，在Ti-5Al合金中单独添加Mo或V，并不改变基体合金的致密度，而单独添加Ag则降低了基体合金的密度，但Ag与Mo、V同时添加时，基体合金的密度反而得到提高。而抗压缩强度表明，在Ti-5Al基合金中单独添加V或Ag时，合金的抗压缩强度并未提高，但同时添加Mo、V和Ag时，合金的抗压缩强度明显提高，显示出Ag只有通过Mo与V共同添加时，才能发挥其作用。
 

图4  试样在1 350、1 250及1 150 ℃烧结后的性能比较

Fig.4  Properties comparison of samples after sintering at 1 350 ℃((a), (b)), 1 250 ℃((c), (d)) and 1 150 ℃((e), (f))
 

同时分析也显示，对相同成分的Ti-5Al基粉末冶金合金，随着烧结温度的降低，合金的致密度与抗压缩强度分别降低。如合金6在1 350 ℃，合金的致密度与压缩强度分别达到96%与1 782 MPa；而经1 150 ℃烧结后，合金的致密度与抗压缩强度分别降低到93%与1 580 MPa。

根据图4的结果可知，不同成分合金的强度与其致密度有一定的关系。DUCKWORTH^[15]认为，随着致密度的增大，烧结合金的强度具有呈指数增大趋势。而本研究中，由于合金成分及烧结温度的不同，烧结体的致密度也不同，其中合金3的致密度最低，而合金6的致密度最高，因此，合金6的抗压缩强度也相应最大。

2.3  合金的断口组织

对1 350 ℃烧结后合金的压缩断口进行SEM观察(见图5)，合金中均含有孔洞，这是由于烧结过程中，并没有完全致密化所产生的。同时添加Mo、V的合金5(见图5(d))相对合金1(见图5(a))、合金2(见图5(b))和合金3(见图5(c))，孔洞数量减少。而在合金5中添加Ag时，合金6(见图5(e))中的孔洞明显减少。这与图4(a)中合金相对密度的变化一致。从图5中也看到，5种合金的断裂主要都是穿晶断裂与沿晶断裂。但进一步分析显示，在合金2、5及6中，有片状痕迹，特别是合金6中的片状相更为明显，能谱测试显示这些片状相是α相。对合金6中片状相的高倍组织分析表明(见图5(f))，这些片状相由平均尺寸120 nm的层片状组成，在层片之间有纳米级的球状TiAg化合物，这些化合物可起到弥散强化作用。
 

图5  合金在1 350 ℃烧结后的压缩断口形貌

Fig.5  Compressive fracture surface morphologies of alloys 1(a), 2(b), 4(c), 5(d) and 6((e), (f)) after sintering at 1 350 ℃
 

3  结论

1) 在Ti-5Al合金中，单独添加5%Ag或4%V时，合金的致密度及抗压缩强度降低，而添加4%Mo则提高了合金的致密度与抗压缩强度。

2) 当5%Ag元素与4%Mo及4%V同时添加时，合金的致密度及抗压缩强度明显得到提高。1 350 ℃烧结后，Ti-5Al-4Mo-4V-5Ag合金的致密度与抗压缩强度分别达到96%与1 782 MPa。

3) Mo、V和Ag的添加改变基体合金的物相组成及显微组织，含4%Mo、4%V和5%Ag的Ti-5Al合金为典型魏德曼组织，片状析出相中含有纳米级的TiAg化合物相。

4) Ti-5Al基合金随着烧结温度的提高，其致密度与抗压缩强度得到提高。

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(编辑 李艳红)

基金项目：国家自然科学基金创新研究群体科学基金资助项目(51021063)；国家杰出青年科学基金资助项目(50825102)；粉末冶金国家重点实验室创新基金资助项目(PM2010)；中国博士后科学基金特别资助项目(200801348)；湖南省科技计划博士后专项资助项目(2009RS3025)

收稿日期：2010-06-28；修订日期：2010-09-28

通信作者：肖代红，副教授，博士；电话：0731-88877880；E-mail: xdh0615@163.com