D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.10.016 第30卷第10期 北京科技大学学报 Vol.30 No.10 2008年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0t.2008 Ti47.5A一2.5V-1.0Cr注射成形 赵丽明)曲选辉)何新波)李世琼) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)钢铁研究总院高温材料研究所，北京100081 摘要以Ti-47.5A一2.5V-1.0Cr(原子分数，%)气雾化预合金粉末为原料，采用粉末注射成形工艺制备了TiA1合金材 料，研究了该T合金脱脂工艺对脱脂坯碳氧残留量和组织的影响规律及烧结工艺对烧结体显微组织、密度和压缩性能的影 响规律.结果表明：在脱脂温度600℃、保温时间为1h和真空脱脂气氛条件下脱除坯体中剩余粘结剂，坯体中残余碳氧含量 (质量分数)分别为0.059%和0.12%：脱脂温度从600℃升到1000℃，粉末由枝状组织转变为近Y组织；烧结温度在 1410~1450℃，保温时间在1h以内，烧结体可以快速致密化：在1450℃保温30mi,烧结体相对密度可以达到95%，烧结体 的抗压强度为2105MPa,压缩率达到30.9%，接近铸态合金力学性能：随烧结温度升高，烧结体中的Y相逐渐减少，组织由近 片层组织逐渐转变为全片层组织， 关键词钛铝合金；粉末注射成形：烧结工艺；脱脂工艺 分类号TF124.3 Powder injection moulding of Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr ZHAO Liming,QU Xuanhui,HE Xinbo),LI Shiqiong2) 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Department of Superalloy.Central Iron Steel Research Institute.Beijing 100081 ABSTRACT The injection molding of Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr gas-atomized pre-alloy powders was carried out.The effects of de- binding on the contents of residual carbon and oxygen and the microstructure of brown parts and the influences of sintering tempera- ture on the sintered microstructure.density and compressive property of the alloy were investigated.The results showed that the mass fractions of residual carbon and oxygen were059and.12respectively under the condition of the thermal debinding tempera- ture of 600C.the holding time of 1h and vacuum atmosphere.The microstructure was changed from dentritic to near"gamma (NG) microstructure when the sintering temperature increased from 600C to 1000C.The specimens densified rapidly at 1410-1450C for 1h.When the vacuum sintering was employed,a near full density of 95%was obtained at 1450C after 30min holding,and the compression strength and compression ratio were 2 105 MPa and 30.9%respectively,which are near to those of the cast alloy.With the sintering temperature increasing.the amount of Y phase decreases gradually.The microstructure was changed from near a lamel- lar microstructure to a fully lamellar microstructure when the sintering temperature increased from 1410C to 1450C. KEY WORDS TiAl alloy:powder injection molding:sintering:debinding 由于TiAI基合金具有良好的耐高温、抗氧化性 目前，TiA1合金的制备工艺主要是铸锭治金，存在 能和较小的密度，而且它的抗蠕变性能与Ni基高温 成分偏析和组织不均匀[].采用粉末冶金法可制 合金相近，均比钛合金好得多，因而成为近年来人们 备组织均匀、细小，而且可实现制件的近净成形，能 研究开发的热点，被认为是一种非常有潜力的高温 有效解决TiA1金属间化合物合金难于加工成形问 结构材料，在航空、航天、国防、军工等领域具有广泛 题].粉末注射成形工艺作为一种新型粉末冶金近 的应用前景).但是，TiA1金属间化合物的室温 净成形技术，在制备几何形状复杂产品方面，具有明 延性很低、高温屈服应力高、加工成形非常困难]， 显的优势，一些学者已采用SHS制得TiAl粉末进 收稿日期：2007-10-31修回日期：2007-12-28 基金项目：高等学校科技创新工程重大资助项目(No,704008);新世纪优秀人才资助项目(N。·NCET-06-O081) 作者简介：赵丽明(1976一)，男，博士研究生；曲选辉(1960一)男，教授，博士生导师，E mail:quxh@mater~ustb-edu·cm
Ti－47∙5Al－2∙5V－1∙0Cr 注射成形 赵丽明1） 曲选辉1） 何新波1） 李世琼2） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 2） 钢铁研究总院高温材料研究所北京100081 摘 要 以 Ti－47∙5Al－2∙5V－1∙0Cr（原子分数％）气雾化预合金粉末为原料采用粉末注射成形工艺制备了 TiAl 合金材 料研究了该 TiAl 合金脱脂工艺对脱脂坯碳氧残留量和组织的影响规律及烧结工艺对烧结体显微组织、密度和压缩性能的影 响规律．结果表明：在脱脂温度600℃、保温时间为1h 和真空脱脂气氛条件下脱除坯体中剩余粘结剂坯体中残余碳氧含量 （质量分数）分别为0∙059％和0∙12％；脱脂温度从600℃升到1000℃粉末由枝状组织转变为近 γ组织；烧结温度在 1410～1450℃保温时间在1h 以内烧结体可以快速致密化；在1450℃保温30min烧结体相对密度可以达到95％烧结体 的抗压强度为2105MPa压缩率达到30∙9％接近铸态合金力学性能；随烧结温度升高烧结体中的 γ相逐渐减少组织由近 片层组织逐渐转变为全片层组织． 关键词 钛铝合金；粉末注射成形；烧结工艺；脱脂工艺 分类号 TF124∙3 Powder injection moulding of T-i47∙5A-l2∙5V-1∙0Cr ZHA O Liming 1）QU Xuanhui 1）HE Xinbo 1）LI Shiqiong 2） 1） School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Department of SuperalloyCentral Iron ＆ Steel Research InstituteBeijing100081 ABSTRACT T he injection molding of T-i47∙5A-l2∙5V-1∙0Cr gas-atomized pre-alloy powders was carried out．T he effects of debinding on the contents of residual carbon and oxygen and the microstructure of brown parts and the influences of sintering temperature on the sintered microstructuredensity and compressive property of the alloy were investigated．T he results showed that the mass fractions of residual carbon and oxygen were0∙059％ and0∙12％ respectively under the condition of the thermal debinding temperature of600℃the holding time of1h and vacuum atmosphere．T he microstructure was changed from dentritic to near-gamma （NG） microstructure when the sintering temperature increased from 600℃ to1000℃．T he specimens densified rapidly at 1410－1450℃ for1h．When the vacuum sintering was employeda near full density of 95％ was obtained at1450℃ after30min holdingand the compression strength and compression ratio were2105MPa and30∙9％ respectivelywhich are near to those of the cast alloy．With the sintering temperature increasingthe amount of γphase decreases gradually．T he microstructure was changed from near a lamellar microstructure to a fully lamellar microstructure when the sintering temperature increased from 1410℃ to1450℃． KEY WORDS TiAl alloy；powder injection molding；sintering；debinding 收稿日期：2007-10-31 修回日期：2007-12-28 基金项目：高等学校科技创新工程重大资助项目（No．704008）；新世纪优秀人才资助项目（No．NCET－06－0081） 作者简介：赵丽明（1976－）男博士研究生；曲选辉（1960－）男教授博士生导师E-mail：quxh＠mater．ustb．edu．cn 由于 TiAl 基合金具有良好的耐高温、抗氧化性 能和较小的密度而且它的抗蠕变性能与 Ni 基高温 合金相近均比钛合金好得多因而成为近年来人们 研究开发的热点被认为是一种非常有潜力的高温 结构材料在航空、航天、国防、军工等领域具有广泛 的应用前景［1－2］．但是TiAl 金属间化合物的室温 延性很低、高温屈服应力高、加工成形非常困难［3］． 目前TiAl 合金的制备工艺主要是铸锭冶金存在 成分偏析和组织不均匀［4－5］．采用粉末冶金法可制 备组织均匀、细小而且可实现制件的近净成形能 有效解决 TiAl 金属间化合物合金难于加工成形问 题［6］．粉末注射成形工艺作为一种新型粉末冶金近 净成形技术在制备几何形状复杂产品方面具有明 显的优势．一些学者已采用 SHS 制得 TiAl 粉末进 第30卷 第10期 2008年 10月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．10 Oct．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．10．016
第10期 赵丽明等：Ti47.5A一2.51.0Cr注射成形 ,1145, 行注射成形研究] 由于TiAl粉末中氧、碳等杂质元素会在粉末表 面形成化合物或者在晶界形成析出物，阻碍元素扩 散从而严重影响TiAl基合金的致密化.Zhang 等O]采用不同碳氧含量的TiAl预合金粉作比较， 发现碳氧含量高的合金粉末的烧结温度明显偏高 由于粉末注射成形中加入和脱除粘结剂必然会在脱 脂坯残留一定量的碳，同时在脱脂和烧结过程必然 00 um 会在烧结体残留一定量的氧，因此需要采用合理的 脱脂和烧结工艺来降低脱脂坯碳氧残留量，得到致 图1 TiAl-V-Cr合金粉的宏观形貌 密度高的TiAl合金， Fig.1 Morphology of TiAl-V-Cr alloying powders 本文采用粉末注射成形制备了TiA!合金，研究 成形坯分别称重后放入三氯乙烯中进行溶剂脱 了脱脂工艺对脱脂坯碳氧残留量和组织的影响规律 脂，注射坯可溶性粘结剂脱除后，分别将脱脂坯放 以及烧结工艺对烧结体密度、组织和性能的影响规 入管式真空炉和氩气气氛炉中脱除残余粘结剂后进 律. 行预烧结，预烧结温度分别为600,800和1000℃保 1实验过程 温1h·最后碳氧残留量最低的脱脂坯在ZGS150型 高真空钼丝炉中烧结，烧结温度分别为1400,1410 采用钢铁研究总院钛铝中心提供的Ti一47.5A一 和1450℃，升温速率为8℃min1. 2.5V一1.0Cr(TiA一VCr)气雾化预合金粉末为原 采用扫描电镜(SEM)进行组织观察，烧结样品 料，粉末性能见表1.图1是TiAl-V-Cr合金粉的 中的成分通过能谱仪分析.对烧结试样采用Philip一 宏观形貌.从图中可以可出，TiA1粉末的球形度非 Xy衍射仪进行物相结构分析·合金粉和脱脂坯中 常好，非常适合用于注射成形 的氧含量和碳含量分别由惰气脉冲红外热导法和 表1气雾化TiA一VCr合金粉末特性 高频燃烧红外法测量，TiA1烧结体的密度通过液 Table 1 Characteristics of gas atomized TiAl-V-Cr alloying powders 体介质测量法测定.在CMT4305型万能材料试验 粉末平均碳质量 氧质量 机上测试材料的室温压缩性能，加载速率为 粉末成分 粒径/m分数/%分数/% 1mm'min-1. Ti47.5A-2.5V-1.0Cr 60 0.027 0.1 2实验结果与讨论 采用的粘结剂为石蜡基粘结剂，其主要成分为 2.1热脱脂工艺对脱脂坯中碳氧残留量和组织成 石蜡、聚乙烯和聚丙烯等，首先将TiAl粉末与粘结 分的影响 剂在XsK160混炼机上于145℃混炼1h,粉末装 在真空和氩气条件下，不同脱脂温度对脱脂坯 载量为65%（体积分数），然后在CJ一ZZ注塑机上进 中碳氧残留量影响如图2所示，由图2(a)可知，在 行注射成形，制得直径7.5mm×48mm的圆棒 真空气氛中热脱脂的脱脂坯中氧残留量随着脱脂温 0.20 0.064 (a) (b) 0.062 -一真空 0.18 -Ar 0.060 0,16 一真空 --Ar 0.058 解0.14 0.056 0.2- 0.054 600 7008009001000 600 700800 9001000 温度/℃ 温度℃ 图2脱脂温度对坯中碳氧含量影响 Fig.2 Effect of debinding temperature on the carbon and oxygen contents
行注射成形研究［7－9］． 由于 TiAl 粉末中氧、碳等杂质元素会在粉末表 面形成化合物或者在晶界形成析出物阻碍元素扩 散从而严重影响 TiAl 基合金的致密化．Zhang 等［10］采用不同碳氧含量的 TiAl 预合金粉作比较 发现碳氧含量高的合金粉末的烧结温度明显偏高． 由于粉末注射成形中加入和脱除粘结剂必然会在脱 脂坯残留一定量的碳同时在脱脂和烧结过程必然 会在烧结体残留一定量的氧因此需要采用合理的 脱脂和烧结工艺来降低脱脂坯碳氧残留量得到致 密度高的 TiAl 合金． 本文采用粉末注射成形制备了 TiAl 合金研究 了脱脂工艺对脱脂坯碳氧残留量和组织的影响规律 以及烧结工艺对烧结体密度、组织和性能的影响规 律． 1 实验过程 采用钢铁研究总院钛铝中心提供的Ti－47∙5Al－ 2∙5V－1∙0Cr（TiAl－V－Cr）气雾化预合金粉末为原 料粉末性能见表1．图1是 TiAl－V－Cr 合金粉的 宏观形貌．从图中可以可出TiAl 粉末的球形度非 常好非常适合用于注射成形． 表1 气雾化 TiAl－V－Cr 合金粉末特性 Table1 Characteristics of gas-atomized TiA-l V-Cr alloying powders 粉末成分 粉末平均 粒径／μm 碳质量 分数／％ 氧质量 分数／％ Ti－47∙5Al－2∙5V－1∙0Cr 60 0∙027 0∙1 采用的粘结剂为石蜡基粘结剂其主要成分为 石蜡、聚乙烯和聚丙烯等．首先将 TiAl 粉末与粘结 剂在 XSK－160混炼机上于145℃混炼1h粉末装 载量为65％（体积分数）然后在 CJ－ZZ 注塑机上进 行注射成形制得直径●7∙5mm×48mm 的圆棒． 图1 TiAl－V－Cr 合金粉的宏观形貌 Fig．1 Morphology of TiA-l V-Cr alloying powders 成形坯分别称重后放入三氯乙烯中进行溶剂脱 脂．注射坯可溶性粘结剂脱除后分别将脱脂坯放 入管式真空炉和氩气气氛炉中脱除残余粘结剂后进 行预烧结预烧结温度分别为600800和1000℃保 温1h．最后碳氧残留量最低的脱脂坯在 ZGS150型 高真空钼丝炉中烧结烧结温度分别为14001410 和1450℃升温速率为8℃·min －1． 采用扫描电镜（SEM）进行组织观察烧结样品 中的成分通过能谱仪分析．对烧结试样采用Philip－ Xay 衍射仪进行物相结构分析．合金粉和脱脂坯中 的氧含量和碳含量分别由惰气脉冲－红外热导法和 高频燃烧－红外法测量．TiAl 烧结体的密度通过液 体介质测量法测定．在 CMT4305型万能材料试验 机上 测 试 材 料 的 室 温 压 缩 性 能加 载 速 率 为 1mm·min －1． 2 实验结果与讨论 2∙1 热脱脂工艺对脱脂坯中碳氧残留量和组织成 分的影响 在真空和氩气条件下不同脱脂温度对脱脂坯 中碳氧残留量影响如图2所示．由图2（a）可知在 真空气氛中热脱脂的脱脂坯中氧残留量随着脱脂温 图2 脱脂温度对坯中碳氧含量影响 Fig．2 Effect of debinding temperature on the carbon and oxygen contents 第10期 赵丽明等： Ti－47∙5Al－2∙5V－1∙0Cr 注射成形 ·1145·
,1146 北京科技大学学报 第30卷 度的升高略有增加，在氩气气氛中热脱脂的脱脂坯 虽然脱脂坯中碳残留量比在氩气中热脱脂的脱脂坯 中氧残留量随脱脂温度的升高有较大幅度的增加； 略有增加，但氧残留量有大幅度诚少；而且氧对钛铝 这是由于空气中少量氧混入氩气进入脱脂坯中，使 脱脂坯烧结的影响比碳的影响大，因此选用真空保 脱脂坯的氧含量增加，从图2(b)可知，随着脱脂温 护气氛下脱脂是合适的， 度升高，在真空和氩气气氛中热脱脂的脱脂坯中碳 图3是不同脱脂温度TiA一VCr热脱脂坯的 残留量随温度升高都逐渐减少：这是由于在热脱脂 微观组织.从图3可以看到在600~800℃热脱脂， 后期温度越高残留的粘结剂分解越充分所致，在氩 脱脂坯粉末颗粒组织依然是树枝晶，不过枝晶间黑 气气氛下脱脂坯中碳含量较低，说明氩气脱除粘结 色偏析变宽，在1000℃热脱后粉末的树枝晶消失， 剂效率较高，碳残留量少，氩气气氛下脱脂坯中氧 粉末组织变成由黑色基体和在其上弥散的白色相组 残留量较高，而真空(10-3Pa数量级)条件下脱脂， 成的近Y组织 (a) (b) (C) 10 jm 10m 10m 图3不同脱脂温度下脱脂坯的微观组织.(a)600℃：(b)800℃；(c)1000℃ Fig.3 Microstructures of the as debinded parts at different debinding temperatures 图4是热脱脂坯的XRD图谱，从图4发现，随 以在这个相区烧结体相对密度仅为75%，而且增加 着脱脂温度的升高，相衍射峰强度减弱，Y相衍 幅度平缓.在1400℃烧结体烧结温度处于α相区， 射峰强度增强，表明随着脱脂温度的升高，脱脂坯 烧结体由有序相变为无序相，原子扩散速率有较大 的2相减少，Y相增加. 幅度增加，因此烧结体密度有较大幅度的提高，相对 16000r .Y 密度达到85%.从1400℃到1410℃烧结体密度增 14000- 1000℃ 加幅度最大，相对密度达到94%，在1450℃烧结体 12000 51000 的相对密度在95%左右.这是由于烧结温度进入固 液相区，液相的产生大大加速了原子扩散过程，大幅 8000 800℃ 6000 提高烧结速度，加速了烧结体的致密化 4000 0.95r 2000 600℃ 0.90 0 20 40 60 80 型0.85 20w() w 图4不同脱脂温度下脱脂坯的XRD图谱 0.75 Fig.4 XRD patterns of the as debinded parts at different debinding tempetature 0.79300 1340 138014201460 温度/℃ 2.2烧结工艺对钛铝烧结体密度的影响 图5TiA一VCr相对密度与温度关系 脱脂坯在1300~1450℃真空(10-3Pa)烧结保 Fig.5 Relationship between sintering temperature and relative density 温1h,烧结体相对密度随温度变化曲线如图5所 示.从图5可见，烧结体密度随着烧结温度的升高 2.3烧结温度对烧结体组织的影响 逐渐增加，但是在各个温度段增加的幅度不同，由 从图6(a,b)可以看到，在1400℃保温6h,样品 于1300℃处于α+Y相区，烧结体中Y相还是有序 中还有大量的孔洞存在，样品没有烧结致密，在片层 相，原子扩散速率低，导致烧结体难以烧结致密，所 团的晶界处有少量Y相，片层团尺寸相差不大，大
度的升高略有增加在氩气气氛中热脱脂的脱脂坯 中氧残留量随脱脂温度的升高有较大幅度的增加； 这是由于空气中少量氧混入氩气进入脱脂坯中使 脱脂坯的氧含量增加．从图2（b）可知随着脱脂温 度升高在真空和氩气气氛中热脱脂的脱脂坯中碳 残留量随温度升高都逐渐减少；这是由于在热脱脂 后期温度越高残留的粘结剂分解越充分所致．在氩 气气氛下脱脂坯中碳含量较低说明氩气脱除粘结 剂效率较高碳残留量少．氩气气氛下脱脂坯中氧 残留量较高而真空（10－3 Pa 数量级）条件下脱脂 虽然脱脂坯中碳残留量比在氩气中热脱脂的脱脂坯 略有增加但氧残留量有大幅度减少；而且氧对钛铝 脱脂坯烧结的影响比碳的影响大因此选用真空保 护气氛下脱脂是合适的． 图3是不同脱脂温度 TiAl－V－Cr 热脱脂坯的 微观组织．从图3可以看到在600～800℃热脱脂 脱脂坯粉末颗粒组织依然是树枝晶不过枝晶间黑 色偏析变宽在1000℃热脱后粉末的树枝晶消失 粉末组织变成由黑色基体和在其上弥散的白色相组 成的近 γ组织． 图3 不同脱脂温度下脱脂坯的微观组织．（a）600℃；（b）800℃；（c）1000℃ Fig．3 Microstructures of the as-debinded parts at different debinding temperatures 图4是热脱脂坯的 XRD 图谱．从图4发现随 着脱脂温度的升高α2 相衍射峰强度减弱γ相衍 射峰强度增强．表明随着脱脂温度的升高脱脂坯 的 α2 相减少γ相增加． 图4 不同脱脂温度下脱脂坯的 XRD 图谱 Fig．4 XRD patterns of the as-debinded parts at different debinding tempetature 2∙2 烧结工艺对钛铝烧结体密度的影响 脱脂坯在1300～1450℃真空（10－3Pa）烧结保 温1h烧结体相对密度随温度变化曲线如图5所 示．从图5可见烧结体密度随着烧结温度的升高 逐渐增加但是在各个温度段增加的幅度不同．由 于1300℃处于α＋γ相区烧结体中 γ相还是有序 相原子扩散速率低导致烧结体难以烧结致密所 以在这个相区烧结体相对密度仅为75％而且增加 幅度平缓．在1400℃烧结体烧结温度处于 α相区 烧结体由有序相变为无序相原子扩散速率有较大 幅度增加因此烧结体密度有较大幅度的提高相对 密度达到85％．从1400℃到1410℃烧结体密度增 加幅度最大相对密度达到94％在1450℃烧结体 的相对密度在95％左右．这是由于烧结温度进入固 液相区液相的产生大大加速了原子扩散过程大幅 提高烧结速度加速了烧结体的致密化． 图5 TiAl－V－Cr 相对密度与温度关系 Fig．5 Relationship between sintering temperature and relative density 2∙3 烧结温度对烧结体组织的影响 从图6（ab）可以看到在1400℃保温6h样品 中还有大量的孔洞存在样品没有烧结致密在片层 团的晶界处有少量 γ相片层团尺寸相差不大大 ·1146· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第10期 赵丽明等：Ti47.5A一2.5V1.0Cr注射成形 ,1147 约在100m左右.在等轴Y晶粒和片层团交界处 到全片层组织.在1410~1450℃范围内随着温度 有2偏析，在Y相内部也有2偏析和片层团形成， 的升高，Y相所占比重逐渐减少，片层组织所占比重 片层团包着一层2相， 逐渐增加，这是由于烧结体的烧结温度选择在合金 在图6(c-f)中，1410℃保温1h后，烧结体已 相图的固相线与液相线之间，随着温度升高，液相 经烧致密，有很少的小孔隙，烧结体有等轴Y晶粒 体积分数增加，在快速升温过程中，Y相逐渐转变为 和片层团组成的近片层组织，合金组织宏观比较均 α相.经过保温后随炉冷却，在开始阶段降温很快， 匀，片层团尺寸相差较大，在Y相内部以及Y相与 有些没有变成α相的Y相保留了下来，形成Y相等 片层团交界处有2相偏析.在1450℃保温30min, 轴晶粒，长大的α相在降温过程中析出Y相形成片 烧结体就可以烧结致密，烧结体是由极少量Y相和 层状结构，由于温度越高，Y相转变成α相的速率 片层团组成的全片层组织，片层团尺寸相差不大，在 越快，所以温度越高保留下来Y相越少.2相在晶 100m左右.在Y相内部以及与片层团交界处有 界偏析是由于晶界区域的α相在降温过程析出的Y 2相偏析， 相在晶界的Y晶粒上生长，并未形成Y十2片层结 由图6看到在1410~1450℃范围内随着温度 构，从而形成了2偏析，在Y相内部形成的2相偏 升高，等轴Y晶粒越来越少，组织由近片层组织变 析也是这个原因， b 100m 20m 100um 20m T00m 20m 图6不同绕结温度的烧结体组织.(a,b)1400℃保温6h;(c,d)1410℃保温1h:(e,f)1450℃保温0.5h Fig.6 Microstructures of specimens sintered at different temperatures:(a.b)1400C for 6h:(e.d)1410C for lh:(e.f)1450C for 0.5h 从图7的XRD衍射峰可以看出，从1410℃到 14000- 1450℃的烧结体由2相和Y相组成，a2相的衍射 12000 1410℃保温1h 强度逐渐增强，Y相衍射强度逐渐减弱：说明Y相 10000 逐渐减少，2相逐渐增加， 8000 Yr Y 2.4烧结温度对烧结体力学性能的影响 6000 y马光ay%& 对注射成形钛铝在不同温度下烧结试样和铸态 4000 1450℃保温0.5h 试样的压缩性能进行了测试，表2列出了实验条件 2000- YYY 和检测结果 a 从表2可见，当烧结温度达到1410℃，试样的 20 40 60 80 20(°) 抗压强度和压缩率与1400℃烧结的试样相比有显 著提高.由于TiAl-V-Cr烧结体的近片层组织中Y 图7钛铝烧结体的XRD图谱 相所占比重较小，所以在力学性能上近片层组织的 Fig.7 XRD patterns of TiAl-V-Cr specimens
约在100μm 左右．在等轴 γ晶粒和片层团交界处 有α2 偏析在 γ相内部也有α2 偏析和片层团形成 片层团包着一层 α2 相． 在图6（c－f）中1410℃保温1h 后烧结体已 经烧致密有很少的小孔隙烧结体有等轴 γ晶粒 和片层团组成的近片层组织合金组织宏观比较均 匀片层团尺寸相差较大．在 γ相内部以及γ相与 片层团交界处有α2 相偏析．在1450℃保温30min 烧结体就可以烧结致密烧结体是由极少量 γ相和 片层团组成的全片层组织片层团尺寸相差不大在 100μm 左右．在 γ相内部以及与片层团交界处有 α2 相偏析． 由图6看到在1410～1450℃范围内随着温度 升高等轴 γ晶粒越来越少组织由近片层组织变 到全片层组织．在1410～1450℃范围内随着温度 的升高γ相所占比重逐渐减少片层组织所占比重 逐渐增加．这是由于烧结体的烧结温度选择在合金 相图的固相线与液相线之间随着温度升高液相 体积分数增加在快速升温过程中γ相逐渐转变为 α相．经过保温后随炉冷却在开始阶段降温很快 有些没有变成 α相的γ相保留了下来形成 γ相等 轴晶粒长大的 α相在降温过程中析出γ相形成片 层状结构．由于温度越高γ相转变成α相的速率 越快所以温度越高保留下来 γ相越少．α2 相在晶 界偏析是由于晶界区域的 α相在降温过程析出的γ 相在晶界的γ晶粒上生长并未形成 γ＋α2片层结 构从而形成了 α2 偏析在 γ相内部形成的α2 相偏 析也是这个原因． 图6 不同烧结温度的烧结体组织．（ab）1400℃保温6h；（cd）1410℃保温1h；（ef）1450℃保温0∙5h Fig．6 Microstructures of specimens sintered at different temperatures：（ab）1400℃ for6h；（cd）1410℃ for1h；（ef）1450℃ for0∙5h 从图7的 XRD 衍射峰可以看出从1410℃到 1450℃的烧结体由α2 相和 γ相组成．α2 相的衍射 强度逐渐增强γ相衍射强度逐渐减弱；说明 γ相 逐渐减少α2 相逐渐增加． 2∙4 烧结温度对烧结体力学性能的影响 对注射成形钛铝在不同温度下烧结试样和铸态 试样的压缩性能进行了测试表2列出了实验条件 和检测结果． 从表2可见当烧结温度达到1410℃试样的 抗压强度和压缩率与1400℃烧结的试样相比有显 著提高．由于 TiAl－V－Cr 烧结体的近片层组织中γ 相所占比重较小所以在力学性能上近片层组织的 图7 钛铝烧结体的 XRD 图谱 Fig．7 XRD patterns of TiA-l V-Cr specimens 第10期 赵丽明等： Ti－47∙5Al－2∙5V－1∙0Cr 注射成形 ·1147·
,1148 北京科技大学学报 第30卷 样品和全片层组织的样品之间的力学性能差异不明 (4)TiAl-V-Cr烧结体在超固相液相区，随着 显，因此在1410~1450℃烧结的试样的抗压强度 烧结温度提高，Y相逐渐减少，组织由近片层组织转 和压缩率变化很小.由于试样在1410~1450℃之 变为全片层组织 间烧结，可有效提高试样致密度，减少孔隙度.气孔 在材料内部通常被认为等同于裂纹且容易产生应力 参考文献 集中会使材料强度降低，所以在1450℃烧结的试样 [1]Kim Y W.Intermetallic alloys based on gamma titanium alu 密度最高，其压缩性能也最好，接近铸态力学性能， minide..J0M,1989,41:24 [2]Kim Y W.Dimiduk D M.Progress in the understanding of gam 在1400℃烧结的试样，由于其相对密度仅有85% ma titanium aluminides.JOM.1991,43:40 左右，所以力学性能较差 [3]Brossmann U,Oehring M.Appel F.Microstructure and chemical 表2烧结体的室温压缩性能 homogeneity of high Nb gamma based TiAl alloys in different con- Table 2 Compressive properties of samples sintered at room tempera- ditions of processing//Proceedings of the third Symposium on Structural Intermetallics.Warrendale:2001:191 ture [4]Imaev R M,Imaev V M,Khismatullin T G.Refining of the mi- 绕结 烧结 抗压 压缩 屈服 crostructure of cast intermetallic alloy Ti-43%AlX (Nb.Mo. 温度/℃ 时间h 强度/MPa 率/% 强度/MPa B)with the help of heat treatment.Met Sci Heat Treat,2006. 1400 6 811.49 14.5 390.00 48.81 1410 1 2104.09 29.8 586.32 [5]Lee T K.Mosunoy E I.Hwang S K.Consolidation of a gamma 1450 0.5 2105.66 30.9 590.50 TiAFMn-Mo alloy by elemental powder metallurgy.Mater Sci Eng,1997(4):128 铸态 2252.14 29.2 591.16 [6]Kiyotaka K,Akihiro M.Tensile properties at high temperature of sintered TiAl compacts by injection molding.J Jpn Soc Pow der 结论 Powder Metall,1997,44:1029 [7]Syuntaro T,Tsuneo T.Development of TiAltype intermetallic (I)TiAl-V-Cr脱脂坯在真空气氛中，烧结温 compounds by metal powder injection molding process.J Jpn Soc 度1450℃保温0.5h,抗压强度达到2105MPa,压 Pow der Pow der Metall.2000.47:1283 缩率为30.9%，接近铸态合金的压缩力学性能 [8]Kim Y C.Kim N J.Densification behavior of PlMed TiAl parts. J Jpn Soc Pow der Powder Metall,1999,46:882 (2)在脱脂温度600℃、保温时间1h和真空脱 [9]Miura H.Uemura M.Kubota Y.High-temperature properties of 脂气氛条件下脱除坯体中剩余粘结剂，坯体中残余 injection molded Ti-Al intermetallic compounds//2004 Interna 碳氧含量（质量分数）分别为0.059%和0.12% tional Conference on Powder Metallurgy&Particulate Materi- (3)TiAl-V-Cr烧结体在超固相线液相区烧结 als.Chicago.2004:13 得到的密度最高.在1450℃保温30min烧结体的 [10]Zhang G.Blenkinsop P A.Wise M L H.Phase transformations in HIPped Ti-48Al-2Mn-2Nb powder during heat-treatments. 相对密度达到95%. Intermetallics.1996(4):447
样品和全片层组织的样品之间的力学性能差异不明 显因此在1410～1450℃烧结的试样的抗压强度 和压缩率变化很小．由于试样在1410～1450℃之 间烧结可有效提高试样致密度减少孔隙度．气孔 在材料内部通常被认为等同于裂纹且容易产生应力 集中会使材料强度降低所以在1450℃烧结的试样 密度最高其压缩性能也最好接近铸态力学性能． 在1400℃烧结的试样由于其相对密度仅有85％ 左右所以力学性能较差． 表2 烧结体的室温压缩性能 Table2 Compressive properties of samples sintered at room temperature 烧结 温度／℃ 烧结 时间／h 抗压 强度／MPa 压缩 率／％ 屈服 强度／MPa 1400 6 811∙49 14∙5 390∙00 1410 1 2104∙09 29∙8 586∙32 1450 0∙5 2105∙66 30∙9 590∙50 铸态 － 2252∙14 29∙2 591∙16 3 结论 （1） TiAl－V－Cr 脱脂坯在真空气氛中烧结温 度1450℃保温0∙5h抗压强度达到2105MPa压 缩率为30∙9％接近铸态合金的压缩力学性能． （2） 在脱脂温度600℃、保温时间1h 和真空脱 脂气氛条件下脱除坯体中剩余粘结剂坯体中残余 碳氧含量（质量分数）分别为0∙059％和0∙12％． （3） TiAl－V－Cr 烧结体在超固相线液相区烧结 得到的密度最高．在1450℃保温30min 烧结体的 相对密度达到95％． （4） TiAl－V－Cr 烧结体在超固相液相区随着 烧结温度提高γ相逐渐减少组织由近片层组织转 变为全片层组织． 参 考 文 献 ［1］ Kim Y W．Intermetallic alloys based on gamma titanium aluminide．JOM198941：24 ［2］ Kim Y WDimiduk D M．Progress in the understanding of gamma titanium aluminides．JOM199143：40 ［3］ Brossmann UOehring MAppel F．Microstructure and chemical homogeneity of high Nb gamma based TiAl alloys in different conditions of processing∥ Proceedings of the third Symposium on Structural Intermetallics．Warrendale2001：191 ［4］ Imaev R MImaev V MKhismatullin T G．Refining of the microstructure of cast intermetallic alloy T-i43％ A-l X （NbMo B） with the help of heat treatment．Met Sci Heat T reat2006 48：81 ［5］ Lee T KMosunov E IHwang S K．Consolidation of a gamma TiA-l Mn-Mo alloy by elemental powder metallurgy． Mater Sci Eng1997（4）：128 ［6］ Kiyotaka KAkihiro M．Tensile properties at high temperature of sintered TiAl compacts by injection molding．J Jpn Soc Pow der Pow der Metall199744：1029 ［7］ Syuntaro TTsuneo T．Development of TiA-l type intermetallic compounds by metal powder injection molding process．J Jpn Soc Pow der Pow der Metall200047：1283 ［8］ Kim Y CKim N J．Densification behavior of PlMed TiAl parts． J Jpn Soc Pow der Pow der Metall199946：882 ［9］ Miura HUemura MKubota Y．High-temperature properties of injection molded T-i Al intermetallic compounds∥2004 International Conference on Pow der Metallurgy ＆ Particulate Materials．Chicago2004：13 ［10］ Zhang GBlenkinsop P AWise M L H．Phase transformations in HIPped T-i48A-l2Mn-2Nb powder during heat-treatments． Intermetallics1996（4）：447 ·1148· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷