D0I:10.13374/i.issm1001-053x.2005.03.013 第27卷第3期 北京科技大学学报 VoL27 No.3 2005年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2005 注射成形Ti6A-4V合金的显微组织和力学性能 郭世柏曲选辉段柏华何新波秦明礼 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要采用金属注射成形方法制备T6A14V合金坯体，然后利用溶剂脱脂和热脱脂工艺 脱除坯中粘结剂，研究了合金在真空烧结和热等静压烧结条件下的显微组织和力学性能.结 果表明：真空烧结T6A4V合金具有典型的魏氏体组织，其初始的阝晶粒粗大，B晶粒内为 次生片状α和薄B相片，空隙较多，合金的强度和塑性较低：合金经热等静压处理后，组织明 显细化且均匀，空隙很少或几乎没有，从而强度和塑性都有所提高. 关键词Ti6A4V;金属注射成形；钛合金：组织：力学性能 分类号TG146.2 钛及其钛合金具有低密度、高比强度、良好 严重影响烧结件的力学性能4”.本文以90%气雾 的高温强度、卓越的耐腐蚀性等优异性能，广泛 化Ti-6A4V和10%氢化-脱氢Ti6A-4V组成 应用于汽车、生物工程和航空航天等领域.但 的混合粉末为原料，采用金属注射成形方法制备 是，钛及其合金的机加工性能差，难以切削，成为 了标准拉伸坯体，然后进行脱脂，研究了真空烧 大量生产复杂形状零件的障碍，因而用金属注射 结钛合金拉伸试样的力学性能和显傲组织，并进 成形(MM)新工艺生产钛部件备受注目. 一步通过对合金的热等静压处理，研究了该合金 实际生产中，利用金属注射成形方法生产不 的组织和性能变化规律. 锈钢部件和软磁合金是非常广泛的，但很少应用 于钛合金材料.钛合金在注射成形过程中存在一 1实验 些难点：在脱脂和烧结过程中，钛很容易被氧化、 1.1金属注射成形T6A4V合金工艺 氮化和碳化，很难提高烧结密度：氧、碳、氨是对 实验所用的钛合金粉末为10%氢化-脱氢 力学性能有重大影响的间隙元素，尤其是氧含 Ti6A4V与90%气雾化Ti6A-4V的混合粉，其 量，随着粘结剂组分、烧结温度、烧结时间和真空 性能如表1.本实验采用新型粘结剂体系，其配方 炉污染程度等因素而相应增加，使得制品变脆， 为质量分数63%石蜡(PW)、12%聚乙二醇 表1钛合金的粉末特性 Table 1 Characteristics of titanium alloy powders 粉末类型 平均粒度m氧的质量分数%碳的质量分数%振实密度/(g·cm)理论密度/(gcm)形状 气雾化Ti-6A-4V 42 0.18 0.05 2.25 4.43 球形 氢化一脱氢Ti6A4V 60 0.42 0.09 2.61 4.43 不规则 混合Ti-6A1-4V 45 0.20 0.08 2.45 4.43 混合 (PEG)、24%低密度聚乙烯和1%硬脂酸(SA).将 进行溶剂脱脂，约脱除质量分数为65%的粘结 混合钛合金粉末与新型粘结剂在XSK-160混炼 剂.溶脱后的坯体于550℃进行真空热脱脂，在 机上于140℃混炼1h,粉末装载量为70%，成形在 320-450℃之间脱脂速率为1℃min,脱除部分聚 CJ-ZZ注塑机上进行，注射温度为145℃，成形模 乙二醇和较高熔点的低密度聚乙烯，然后于 具为标准拉伸棒.坯体首先放入三氯乙烯溶剂中 750℃温度下真空预烧结，最后在1200-1260℃温 度下进行真空烧结， 收稿日期：200406-21修回日期：200409-13 基金项目：国家“863"计划项目No.2001AA337050) 12合金的热等静压处理 作者简介：郭世柏(1974，男，博士研究生 通常对关键的钛合金部件要进行热等静
第 卷 第 期 ‘ 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 比 匕 注射成形 甲 ， 合金 的显微组织和 力学性能 郭世柏 曲 选辉 段柏 华 何新 波 秦 明 礼 北京科技大学 材料科学 与工 程 学 院 ， 北 京 摘 要 采用金 属 注 射 成 形 方法制 备 巧 曰 合金 坯 体 ， 然后 利 用溶剂脱 脂和 热 脱 脂 工 艺 脱 除坯 中粘结剂 ， 研 究 了合 金在 真 空烧 结和 热等静压烧 结条件下 的显 微 组 织 和 力学性 能 结 果表 明 真 空烧 结 合 金具 有 典 型 的魏 氏体组 织 ， 其初 始 的 晶粒粗 大 ， 晶粒 内为 次 生 片状 和 薄 相 片 ， 空 隙较 多 ， 合金 的强度 和 塑 性较低 合金 经 热等静压 处 理 后 ， 组 织 明 显 细化且均 匀 ， 空 隙很 少或 几 乎没 有 ， 从 而 强 度 和 塑 性都有 所提 高 关键词 巧 金属注射 成 形 钦合金 组 织 力 学性 能 分 类号 钦及 其 钦合 金 具 有低 密 度 、 高 比强度 、 良好 的高温 强度 、 卓越 的耐 腐 蚀 性 等优异 性能 ， 广 泛 应 用 于汽 车 、 生物 工 程 和 航 空航 天 等领 域 ‘，浏 但 是 ， 钦及 其合 金 的机加 工 性 能差 ， 难 以切 削 ， 成 为 大量 生产 复 杂 形状 零件 的障碍 ， 因而 用 金属 注 射 成 形 通 新 工 艺 生 产钦 部 件 备 受注 目‘习 实际 生 产 中 ， 利 用 金 属 注 射 成 形方 法 生 产 不 锈钢 部件和 软磁合 金 是非 常广泛 的 ， 但 很 少应 用 于钦合金 材料 钦 合 金在注射 成 形 过程 中存 在 一 些难 点 在脱 脂和烧 结过程 中 ， 钦很 容 易被氧化 、 氮 化 和 碳 化 ， 很难 提 高烧 结 密 度 氧 、 碳 、 氮 是对 力 学 性 能 有 重 大 影 响的 间 隙元 素 ， 尤 其 是 氧 含 量 ， 随着粘结剂组 分 、 烧 结温度 、 烧 结 时 间和 真 空 炉 污 染程 度 等 因 素 而 相应 增 加 ， 使 得 制 品变脆 ， 严 重 影 响烧 结件 的力学性 能回 本 文 以 气 雾 化 一 闷 和 氢 化一 脱 氢 币 书 组 成 的混 合粉 末 为原料 ， 采 用 金属 注 射成 形 方法 制备 了标准 拉伸 坯 体 ， 然 后 进 行 脱 脂 ， 研 究 了真 空烧 结钦 合 金 拉 伸试 样 的力 学 性 能和 显微 组 织 ， 并进 一 步通过对 合 金 的热等静 压 处 理 ， 研 究 了该 合 金 的组 织 和 性 能变 化 规 律 实验 金 属 注射 成形 卜石 卜 合金 工 艺 实 验 所 用 的钦 合 金 粉 末 为 氢 化一 脱 氢 币 礴 与 气 雾 化 荀 的混 合 粉 ， 其 性 能如表 本 实验 采用 新 型粘 结剂 体 系 ， 其 配方 为 质 量 分 数 石 蜡 、 聚 乙 二 醇 表 钦 合金 的粉末特性 ， 】 粉末类型 平均粒度加口 氧 的质量分 数瓜 碳 的质量 分数机 振 实密度 · 一勺理 论密度 · 一 ， 气 雾化 巧 氢化 一 脱氢 币 】琦 混合 卜 石 形状 球形 不规则 馄合 、 低 密度 聚 乙 烯 和 硬 脂 酸 将 混 合 钦合 金粉 末 与 新 型粘 结 剂在 玲 混炼 机上 于 ℃ 混炼 ， 粉 末装载 量 为 ， 成 形 在 注 塑机 上 进 行 ， 注 射温 度 为 ℃ ， 成 形 模 具 为标 准拉 伸棒 坯 体 首先 放 入 三 氯 乙 烯 溶 剂 中 收稿 日期 习企 修回 日期 一习弘 基 金项 目 国家 “ ，，计划项 目困。 作者简介 郭世柏 一 ， 男 ， 博士 研究生 进 行 溶 剂 脱 脂 ， 约 脱 除质 量 分 数 为 的粘 结 剂 溶 脱 后 的坯 体 于 ℃ 进 行 真 空 热 脱 脂 ， 在 ℃ 之 间脱 脂 速 率 为 ℃ ， 脱 除 部 分 聚 乙 二 醇 和 较 高 熔 点 的 低 密 度 聚 乙 烯 ， 然 后 于 ℃ 温 度下 真 空预 烧 结 ， 最后 在 份 ℃ 温 度 下 进 行 真 空烧 结 合金 的热等静 压 处 理 通 常 对 关 键 的 钦 合 金 部 件 要 进 行 热 等 静 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2005．03．013
•308· 北京科技大学学报 2005年第3期 压处理，本文研究了经热等静压处理后的 (a(c)可以看出，随着保温时间延长，空隙度明 Ti-6A-4V合金的组织和性能，其处理工艺为 显降低，空隙变得圆滑、细小且分布均匀.由图2 970℃，140MPa下保温保压4h. (d)()可知，粉末直接热等静压空隙度为0.8%： 13金相组织观察及力学性能测试 1200℃预烧2h再进行热等静压处理，空隙度为 从经真空烧结和热等静压烧结的试样中截 0.4%:1260℃预烧2h再进行热等静压处理，空隙 取金相试样，所取试样经打磨抛光后，采用氢氟 度为0.2%.因此，热等静压处理可消除烧结坯体 酸、浓硝酸和丙三醇试剂（体积比为1：1：3）进行 中所有闭孔，同时闭孔的消除不会改变烧结件的 腐蚀处理，腐蚀时间为4min,金相组织用Cam~ 形状，从而大大提高烧结件的力学性能 bridge stereoscan360型扫描电镜进行观察.合金 2.2合金的显微组织 的力学拉伸试样如图1所示，对试样打磨处理 (1)真空烧结条件下样品的显微组织合金在 后，拉伸实验在Instron万能材料试验机上进行， 1260℃烧结温度下，不同保温时间的金相组织如 实验温度为室温 图3所示.由图3(a)可知，在1260℃烧结2h,合金 10 的组织为等轴的，晶粒直径为30m,但空隙度 大：烧结时间超过3h,合金的组织为典型的魏氏 体.合金具有较大的原始β相晶粒.这些晶粒镶 以α相，形成B晶界；而且B晶粒由a群体组成，a 60 群体为成束的平行的a片，c片被B相中间层隔开. 图】标准拉伸试样示意图（单位：mm) 其中，原始B相晶粒尺寸、晶内α群体的大小和a Fig.1 Schematic drawing of standard tensile samples.Unit:mm 片的厚度对合金的力学性能有很大影响.烧结 3h,合金中初始β晶粒平均尺寸为120m,晶内a 2结果与分析 群体平均尺寸为40m,a片的平均厚度为3.24 21烧结样品的空隙形貌 m,如图3b).烧结时间为4h,初始B晶粒平均的 在1260℃烧结温度下，不同烧结时间与后续 尺寸增加为200m,晶内α群体平均尺寸为50 热等静压拉伸样的空隙形貌如图2所示.从图2 μm,a片的平均厚度为6.38m,如图3(c).保温时 (e) 图2不同烧结条件下钛合金的空隙形貌.(@)1260℃，2b:b)1260℃，3b:(C)1260℃，4h:(d粉末直接热等静压：(e)1200℃真空烧 结2h,热等静压：(01260℃真空烧结2.5山，热等静压 Flg.2 Morphologies of porosity under different sintering conditions:(a)1260C for 2h:(b)1260C for 3h:(c)1260'C for 4h:(d)directly HIPed:(e)1 200C for 2 h and HIPed:(f)1260C for 2h and HIPed
北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 压 处 理 ‘引 ， 本 文 研 究 了经 热 等 静 压 处 理 后 的 节巧 曰 合 金 的组 织 和 性 能 ， 其 处 理 工 艺 为 ℃ ， 下 保温保压 金 相组织 观 察 及 力学性 能测 试 从 经 真 空烧 结 和 热 等 静 压 烧 结 的试 样 中截 取 金相 试样 所 取试 样 经 打 磨 抛 光 后 ， 采用氢 氟 酸 、 浓硝 酸和 丙 三 醇试 剂 体积 比 为 进行 腐 蚀 处 理 ， 腐 蚀 时 间 为 ， 金 相 组 织 用 型 扫 描 电镜 进 行观 察 合金 的力 学 拉伸试 样 如 图 所 示 ， 对 试样 打 磨 处 理 后 ， 拉 伸 实验 在 万 能材料试 验 机 上 进 行 ， 实验 温度 为室温 理 口 门 尹 崛卜 圈 标准拉伸试 样示 意圈 单位 乃肠 义卜恤 血 侧 吕 川 加 ， 结果 与分 析 烧结 样 品 的 空 隙形 貌 在 ℃ 烧 结温度 下 ， 不 同烧 结时 间与后 续 热 等静 压 拉伸 样 的空 隙形貌 如 图 所 示 从 图 曰 可 以看 出 ， 随着保 温 时 间延 长 ， 空 隙度 明 显 降低 ， 空 隙变得 圆滑 、 细 小且 分布 均匀 由图 曰 可 知 ， 粉 末 直接热 等静压 空 隙度 为 ℃ 预烧 再进 行 热等静压 处 理 ， 空 隙度 为 ℃ 预烧 再进 行热 等静压 处 理 ， 空 隙 度 为 因此 ， 热等 静压 处 理 可 消除烧 结坯 体 中所 有 闭孔 ， 同时 闭孔 的消除不会 改变烧 结件 的 形状 ， 从而 大 大提 高烧 结件 的力学 性 能 合金 的显微组 织 真 空烧 结条件 下样 品 的显 微 组 织 合金 在 ℃ 烧 结温度 下 ， 不 同保温 时 间的金相 组织 如 图 所 示 由图 可 知 ， 在 ℃ 烧 结 ， 合 金 的组 织 为等轴 的 ， 晶粒 直 径 为 林 ， 但 空 隙度 大 烧 结 时 间超过 ， 合 金 的组 织 为 典型 的魏 氏 体 合 金 具有较 大 的原始 相 晶粒 这 些 晶粒镶 以 相 ， 形成 留 晶界 而 且 晶粒 由 群 体组 成 ， 群体为成 束 的平行 的 片 ， 片被 相 中间层 隔开 其 中 ， 原始 相 晶粒 尺 寸 、 晶 内 群体 的大 小和 片 的厚度 对 合 金 的力 学 性 能有 很 大 影 响‘ 烧 结 ， 合金 中初始 晶粒平 均尺 寸 为 林 ， 晶 内 群 体 平 均 尺 寸 为 卿 ， 片 的 平 均 厚度 为 脚 ， 如 图 伪 烧 结 时间为 ， 初 始 晶粒 平均 的 尺 寸增 加 为 卿 ， 晶 内 群 体平 均 尺 寸 为 料 ， 片 的平均 厚度 为 卜 〕 ， 如 图 保温 时 圈 不 同烧结条件下 钦合金 的空隙形 貌 佃℃ ， ‘ 助 叨℃ ， 卜 研℃ ， 卜 粉末直 接热等静压 ℃ 真空烧 结 血， 热 等静压 仍 幼℃ 真 空烧结 七， 热等静压 酬电 乡。 卯，的 血 廿介比 ，恤妞山 川。 助 加 皿℃ 加 助 ‘ ℃ 伙 研℃ 七 由徽 旧压 叨℃ 七 曰 仍 阅℃ 七
Vol.27 No.3 郭世柏等：注射成形Ti6A-4V合金的显微组织和力学性能 ·309· 图3钛合金1260℃真空烧结不同时间的显微组织.(a)2h:b)3b:(c)4b:(d)6h Fig.3 Microstructures of metal injection molding titanium alloys sintered in vacuum at 1260'C for different times:(a)2 h:(b)3h:(c)4 h:(d)6h 间增加到6h,初始B晶粒平均的尺寸增加为350 脂坯直接热等静压处理，组织几乎为α相，无β晶 μm,晶内α群体平均尺寸为68m,a片的平均厚 粒出现，但是空隙很多.这主要由于热等静压对 度为10.35μm,如图3(d).在相同烧结温度下，随 那些存在少量闭孔的烧结体才有致密化的作用， 着烧结时间增加，初始B晶粒、α片的平均厚度和 而脱脂坯在低温预烧结时，空隙均为开孔，热等 晶内α群体平均尺寸都相应地增加，并且以烧结 静压处理的效果不明显， 时间的指数形式(t",其中>1)增加：另外，由于 2.3合金的力学性能 合金中空隙会钉扎晶粒，抑制晶粒的生长，因 合金的力学性能如表2所示.在真空烧结条 而在相同烧结温度下，虽然析出α相的驱动力是 件下，随着烧结时间增加，空隙减少，组织中原 等同的，但保温时间增加，合金的空隙度降低，有 始β晶粒粗大，拉伸性能增加，塑性变化不明显. 助于晶粒快速长大，从而会相应地增加钛合金的 这主要由于空隙对拉伸性能的影响系数大于组 强度，但塑性降低 织中P晶粒、a群体和α片的影响，所以当保温时间 (2)热等静压处理对组织的影响.图4()为氢 延长，空隙度减少，拉伸强度增加，塑性先出现一 化-脱氢合金粉末包套热等静压处理，组织为等 个极大值后急剧降低，因此，合适的保温时间为 轴的，且极为细小和均匀，其直径为4.0m.图4 2-4h. (b)为1200℃预烧结后热等静压处理，样品的组 比较经过热等静压处理后合金的力学性能 织几乎为等轴的，有少量的a片，但是a群体尺寸 指标可以看出，拉伸强度和塑性都有明显提高， 和α片的宽度都很小，约几个徽米，原始的B晶界 这与组织缺陷的弥合和晶粒细化有直接关系， 消失.图4(c)为1260℃预烧结后热等静压处理，样 因为在拉伸过程中，组织中缺陷比如空隙、夹杂 品保留原始B晶粒，但是尺寸变小，仅为100μm,a 等容易引起试样应力集中，常常成为拉伸断裂的 相组织的形态由原来的长条状变成短而较粗的 根源，同时晶粒细化，会相应增加拉伸强度和屈 棒状或粒状，整个合金基体为细小的网篮组织， 服强度.另外，不同预烧结温度样品经相同热等 同时压力的作用使得原始组织中的缩松等组织 静压处理时，强度和塑性有较大差值，低温预烧 缺陷被弥合，组织明显致密化.图4(d)为750℃脱 结经热等静压处理，强度较低，但是延性较高；而
】 一 郭世柏等 注 射成 形 卜石 刁 合金 的显微组 织 和 力学性 能 一 图 钦 合金 ‘ ℃ 真空 烧结 不 同 时间的显徽组 织 伪 七 ‘ 扮 姗 坷伙“ 。 记 ， 扮 恤 ℃ 幻 碑时 廿 卜 卜 间增加 到 ， 初 始 晶粒 平 均 的尺 寸增 加 为 卜 ， 晶 内 群 体 平 均 尺 寸 为 林 ， 片 的平 均 厚 度 为 脚 ， 如 图 在 相 同烧 结温 度 下 ， 随 着烧 结 时 间增 加 ， 初 始 晶粒 、 片 的平 均 厚度 和 晶 内 群体平 均尺 寸 都相 应 地 增 加 ， 并 且 以烧 结 时 间 的指 数形 式 广 ，其 中 增加 ’ 另外 ， 由于 合 金 中空 隙会 钉 扎 晶粒 ， 抑 制 晶粒 的生 长 ’ ， 因 而 在 相 同烧 结温 度 下 ， 虽 然析 出 相 的驱 动 力是 等 同的 ， 但 保温 时 间增 加 ， 合 金 的空 隙度 降低 ， 有 助 于 晶粒快速 长 大 ， 从而 会 相应 地 增 加钦合 金 的 强 度 ， 但 塑 性 降低 热 等静 压 处 理对 组 织 的影 响 图 为氢 化一 脱氢 合 金粉 末 包 套 热等 静压 处 理 ， 组 织 为等 轴 的 ， 且 极 为细 小和 均 匀 ， 其 直 径 为 林 图 为 ℃ 预烧 结后 热等静 压 处 理 ， 样 品 的组 织 几 乎 为等 轴 的 ， 有 少量 的 片 ， 但 是 群体 尺 寸 和 片 的 宽度都很 小 ， 约 几个 微 米 ， 原始 的 晶界 消失 图 为 ℃ 预烧 结后 热等静压 处理 ，样 品保 留原始 晶粒 ， 但 是 尺 寸变 小 ， 仅 为 脚 ， 相 组 织 的 形 态 由原 来 的长 条 状变 成 短 而 较 粗 的 棒状 或 粒状 ， 整 个合 金 基 体 为细 小 的 网篮 组 织 ， 同 时 压 力 的作 用 使得 原始 组 织 中 的缩 松 等 组 织 缺 陷被 弥合 ， 组 织 明显 致密 化 图 为 ℃ 脱 脂 坯 直 接热 等 静压 处 理 ， 组 织 几 乎 为 相 ， 无 晶 粒 出现 ， 但 是 空 隙很 多 这 主 要 由于 热 等静 压 对 那 些存在 少 量 闭孔 的烧 结体 才有 致密化 的作用 ， 而 脱 脂 坯 在 低温 预 烧 结 时 ， 空 隙均 为开 孔 ， 热 等 静压 处 理 的效 果 不 明显 合 金 的 力学性 能 合 金 的力 学 性 能如 表 所 示 在 真 空烧 结 条 件 下 ， 随着烧 结 时 间增 加 ， 空 隙 减 少 ， 组 织 中原 始 晶粒 粗 大 ， 拉 伸 性 能增 加 ， 塑 性 变 化 不 明显 这 主 要 由于 空 隙对 拉 伸 性 能 的影 响 系 数 大 于 组 织 中 晶粒 、 群体和 片 的影 响 ， 所 以当保温 时 间 延 长 ， 空 隙度 减 少 ， 拉伸强度增加 ， 塑性先 出现 一 个极 大 值 后 急剧 降低 因 此 ， 合 适 的保温 时 间为 比较 经 过 热 等 静 压 处 理 后 合 金 的 力 学 性 能 指 标 可 以看 出 ， 拉 伸 强度 和 塑 性都有 明显 提 高 ， 这 与 组 织 缺 陷 的弥 合 和 晶粒 细 化 有直 接 关 系‘回 因为在拉 伸 过程 中 ， 组 织 中缺 陷 比如 空 隙 、 夹 杂 等 容 易引起 试 样应 力集 中 ， 常常成 为拉伸 断裂 的 根源 ， 同 时 晶粒 细 化 ， 会 相 应 增 加 拉伸 强度 和 屈 服 强度 另外 ， 不 同预烧 结温度 样 品经 相 同热 等 静 压 处 理 时 ， 强度 和 塑性有 较 大 差值 低 温 预烧 结经 热 等静 压 处理 ， 强度较低 ， 但 是延性较 高 而
-310· 北京科技大学学报 2005年第3期 图4热等静压烧结后钛合金的显微组织.(@)粉末直接热等静压：b)1200℃真空烧结2h,热等静压：（©）1260℃真空烧结2山，热等 静压：(d750℃脱常还，热等静压 Fig.4 Microstructures of titanium alloys after HIP treatment:(a)directly HIPed:(b)1 200'C for 2 h and HIPed:(c)1260'C for 2h and HIPed:(d)brown parts debound at 750C and HIPed 高温预烧结经热等静压处理，强度提高很多，但高温度预烧结后，再在相变温度区进行热等静压 塑性变化不明显.这主要由于Ti6A14V合金属处理，其组织主要为魏氏体组织，合金的强度高， 于α+B两相合金，随着烧结温度的增加，即使在相塑性较低.但是对于两个不同温度预烧结后热等 同的冷却条件下，其组织会逐渐从等轴组织变成 静压处理的样品，其力学性能均达到美国的粉末 魏氏体组织，当合金在较低温度预烧结后，再在治金标准，所以热等静压处理依然是粉末治金和 相变温度区进行热等静压处理，其组织主要为等 金属注射成形工艺不可缺少的工艺环节. 轴的，合金的强度较低，但塑性较好：当合金在较 囊2金属注射成形针合金的室温力学性能 Table 2 Room temperature mechanical properties of titanium alloys by metal injection molding 试样状态 抗拉强度MPa 屈服强度MPa 延伸率/% 断面收缩率/% 1260℃，2h 800 712 8.8 15 1260℃，3h 835 748 9.2 16 1260℃，4h 842 754 8.6 14 1260℃，6h 848 762 7.4 12 1200℃，2h+热等静压 982 872 14.0 25 1260℃，2h+热等静压 1030 910 11.0 21 3结论 等轴组织变成典型的魏氏体，原始B晶粒、晶内α 群体尺寸和α片厚度都以时间的指数级增加. (1)在真空烧结条件下，随着保温时间的增 1200℃预烧结后热等静压处理，样品的组织几乎 加，空隙度明显降低，空隙变得圆滑和均匀.经热 为等轴的，有少量的a片，但是a群体尺寸和a片的 等静压处理后，空隙度小于08%，空隙细小且分 宽度都很小，约几个微米，原始的B晶界消失. 布均匀， 1260℃预烧结后热等静压处理，样品保留原始B (2)真空烧结时，烧结时间增加，金相组织由晶粒，但是尺寸变小，仅为1004m,α相组织的形
北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 图 热等睁压 烧结后钦合金 的皿徽组织 粉 末直接热等静压 向 ℃ 其空烧结 阮热等静压 曲℃ 真空烧结 卜 ， 热等 静压 ，邹℃ 脱脂坯 ， 热等静压 公 加仁 巾 舫 二 六翔 ” 沈街 目 向 ℃ 口 记 研℃ ， ℃ 高温 预烧 结经 热 等 静压 处 理 ， 强度提 高很 多 ， 但 塑性 变 化 不 明显 这 主 要 由于 石币 合 金 属 于 两 相合 金 ， 随着烧 结温度 的增加 ， 即使在相 同的冷 却条件 下 ， 其组 织 会逐 渐从 等轴组 织变成 魏 氏体组 织 当合 金 在较低 温度 预烧 结后 ， 再 在 相变温度 区进 行 热 等静压 处 理 ， 其 组 织 主 要 为等 轴 的 ， 合 金 的强度较低 ， 但 塑性 较好 当合 金 在较 高温度预烧 结后 ， 再 在相 变 温 度 区 进 行热等静压 处理 ， 其 组织 主要 为魏 氏体 组 织 ， 合金 的强度 高 ， 塑性较低 但 是对 于两 个 不 同温 度 预烧 结后 热 等 静压 处 理 的样品 ， 其 力学性 能均达 到美 国的粉 末 冶 金标 准 所 以热 等静压 处理 依然 是粉 末 冶 金和 金属注 射 成 形 工 艺不 可缺 少 的工 艺环 节 裹 金属注射成 形牡合金的室温 力学性 能 介 加 加 砂抽加抢 如川 币 七妞川 ， 勿 加】坷 如二 。 吨 抗拉强度 屈 服强度了酬田 延 伸率 断面收缩率 ，‘ … 甘，二口 ，‘山石，‘， 月矛产 夕 幼切，月石了了矛 ，二 八飞扣峥月 产︸买 试 样状态 ℃ ， ℃ ， ℃ ， ℃ ， ℃ 十 热 等静压 ℃ ， 卜热等静压 结论 在真 空烧 结条件下 ， 随着保温 时 间 的增 加 ， 空 隙度 明显 降低 ， 空隙变得 圆滑 和均匀 经 热 等静压 处理 后 ， 空 隙度 小于 ， 空 隙 细 小且 分 布均匀 真 空烧 结 时 ， 烧 结时 间增 加 ， 金 相 组 织 由 等 轴组 织 变成 典型 的魏 氏体 ， 原 始 晶粒 、 晶 内 群 体 尺 寸 和 片 厚 度 都 以 时 间 的 指 数 级 增 加 ℃ 预烧 结后热 等静 压 处理 ， 样 品 的组 织 几 乎 为等轴 的 ， 有少量 的。 片 ， 但 是 群 体尺寸 和。 片 的 宽度 都 很 小 ， 约 几 个微 米 ， 原 始 的 晶界 消 失 ℃ 预烧 结后 热 等静压 处 理 ， 样 品保 留原始 晶粒 ， 但 是尺 寸变 小 ， 仅 为 林 ， 相组 织 的形
Vol.27 No.3 郭世柏等：注射成形Ti6A4V合金的显微组织和力学性能 311 态由原来的长条状变成短而较粗的棒状，整个合 and strain rate on the compressive deformation behavior of 金基体为细小的网篮组织，同时压力的作用使得 Ti-6A1-4V.Metall Mater Trans A,2003,34A:295 原始组织中的缩松等组织缺陷被弥合，组织明显 [7]Lee D,Kim S.Effects of microstructural morphology on quasi- static and dynamic deformation behavior of Ti-6A1-4V alloy. 致密化， Metall Trans A,2001,32A:315 (③)真空烧结时，烧结时间增加，拉伸性能增 [8)】熊翔，黄伯云.熔铸TA1合金热等静压处理的研究，中国 加，塑性变化不明显，合适保温时间设为24h. 有色金属学报，1995,5(3)：82 [9]薛志痒，王定华.热等静压对铸造Ti-10V-2Fe-3A」合金组 经热等静压处理后，拉伸强度和塑性都有明显提 织和性能的影响.见：钛科学与工程，第六届全国钛及钛 高，这与组织缺陷的弥合和晶粒细化有直接关 合金学术交流会文集.北京：原子能出版社，1987 系，同时低温预烧结样品具有较高的塑性，高温 [10]丁宏升，郭景杰，贾均，等.真空感应凝壳熔炼TC4合金的 预烧结样品具有较高的拉伸强度， 显微组织和力学性能.材料科学与工艺，1999,7(5)：12 [11]Smarsly W,Lee Y T,Welsch G.Microporosity in hot isostati- 参考文献 cally pressed Ti-6Al-4V powder compacts.Metall Trans A. 1985,16A:1831 [1]Eylon D,Newman J R,Thone J K.Titanium and titanium alloy [12]鲍利索娃EA.钛合金金相学，陈石卿，译.北京：国防工 casting.In:ASM Handbook.Formerly Tenth Edition.Princeton: 业出版社，1986 ASM International,1992.634-646 [13]Semiatin S L,Bieler T R.The effect of alpha platelet thickness [2)罗国珍，周廉，邓炬.中国钛的研究和发展.稀有金属材料 on plastic flow during hot working of Ti-6Al-4V with a trans- 与工程，1997,26(5)：1 formed microstructure.Acta Mater.2001,49:3565 [3]Kaneko Y,Ameyama K,Saito K,et al.Injection molding of Ti [14]Morris M A,Leboeuf M.Kinetics of grain growth in a y-based powder.J Jpn Soc Powder Powder Metall,1988,35(7):74 TiAl alloy.Scripta Mater,1998,38(3):369 [4]Welsch G,Bunk W.Deformation modes of the a-Phase of [15]Kim M,Chen P C,Vedula K.Improvement of the blended ele- Ti-6Al-4V as a function of oxygen concentration and aging tem- mental processing of Ti-6Al-4V alloy.In:Chen PC,VedulaK, perature.Metall Trans A,1982,13A:889 eds.Modern Development in Powder Metallurgy.Princeton: [5]Gray G T,Luetjering G,Williams J C.The Influence of oxygen MPF,1985.547-563 on the structure,fracture,and fatigue crack propagation behavior [16]Kim K T,Yang H C.Densification behavior of titanium alloy of Ti-8.6%Al.Metall Trans A,1990,21A:95 powder under hot isostatic pressing.Powder Metall,2001,44 [6]Wagoner Johnson A J,Bull C W.The Influence of microstructure (141 Mechanical properties and microstructure of a Ti-6Al-4V alloy by metal injection molding GUO Shibo,OU Xuanhui,DUAN Bohua,HE Xinbo,OIN Minli Materials Science and Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China ABSTRACT Ti-6Al-4V compacts were prepared by metal injection molding and binders in the compacts were debound by solvent debinding and heat debinding.The microstructure and mechanical properties of the alloy under the conditions of vacuum sintering and hot isostatic pressing(HIP)sintering were investigated.The results showed the specimens by vacuum sintering had a typical Widmannstatten microstructure,which possessed coarser prior B- grains and secondary platelet a+B-phase,but the alloy had a more microporosity and a lower tensile strength and ductility.After HIP treatment,prior B-grains and secondary platelet a+B-phase became fine and uniform,and the alloy possessed a less microporosity and a higher tensile strength and ductility. KEY WORDS Ti-6Al-4V;metal injection molding:titanium alloy;microstructure;mechanical properties
郭 世柏 等 注 射成 形 卜石 卜刁 合 金 的显 微组织 和 力学 性能 态 由原来 的长 条状 变成 短而较粗 的棒状 ， 整个 合 金 基 体 为细 小 的网篮组织 ， 同时压 力 的作用 使得 原始 组 织 中的缩松 等组织 缺 陷被 弥合 ， 组 织 明显 致 密 化 真 空烧 结 时 ， 烧 结 时 间增 加 ， 拉 伸 性 能增 加 ， 塑 性变 化 不 明显 ， 合 适 保温 时 间设 为 码 经 热 等静压 处理 后 ， 拉 伸 强度 和 塑性都有 明显 提 高 ， 这 与 组 织 缺 陷 的 弥合 和 晶粒 细 化 有 直 接关 系 同 时低 温 预烧 结样 品具 有较 高 的塑性 ， 高温 预烧 结样 品 具 有 较 高 的拉伸 强度 参 考 文 献 ， 民 的 回 ， · 」罗 国珍 ， 周 廉 ， 邓炬 中国钦的研 究和 发 展 稀有金属材料 与工 程 ， ， ， ， ， ， ， ， ” 山 一 一 · 昭 · 丫 ， ， ， 盯 ， 钻 ， 丘朗 ， 卿 一 扭 丫 ， ， 袖 ， 一 扭 介 ， ， ， 如 川傲 · 】一 扭 丫 ， ， 【 熊翔 ， 黄 伯云 熔铸 合 金热等静压 处 理 的研 究 中国 有 色金属 学报 ， ， 薛志痒 ， 王 定 华 热 等静压对铸造 卜 合 金 组 织 和性 能 的影 响 见 钦科学 与工 程 ， 第六届 全 国钦及 钦 合 金学 术交流 会文集 北 京 原 子 能 出版 社 ， 【 】 丁 宏 升 ， 郭 景杰 ， 贾均 ， 等 真空 感应 凝 壳熔炼 合 金 的 显 微 组 织 和 力 学性 能 材料 科 学与工 艺 ， ， 川 ， ， · 朋 拍 ， ， 【 鲍利 索娃 钦 合金 金相 学 陈石 卿 ， 译 北 京 国防工 业 出版社 ， 运 ， 如 · 一 比 ， ， ， 丫 一 认 ， ， ， ， 阮 。 一 一 ， ， 】 电 ， 一 ， 丫劝 叮 ， ， 一 一 ， ， ， ， 几右 ， ， ， 」 巧 曰 如阴仇叮 耐 加 帅 叮 ， 了 一 ， ， 一 娜 一 ， 一 一 切 叮
