文章编号：1004-0609(2010)S1-s0299-04

粉末冶金TA7 ELI合金的制备及其界面反应层

邬  军，徐  磊，雷家峰，刘羽寅

 (中国科学院 金属研究所 钛合金研究部，沈阳 110016)

摘  要：采用Ti-5Al-2.5Sn ELI (TA7 ELI)洁净预合金粉末通过热等静压(HIP)致密化工艺制备TA7 ELI合金。利用粒度仪和扫描电镜等对粉末的粒径分布、形貌和化学成分进行表征。利用金相显微镜分析热等静压后TA7 ELI合金的显微组织，利用电子探针分析包套和粉末反应层的元素分布。结果表明：粉末的平均粒度约为80 μm，形貌呈球形；经1 000 ℃、130 MPa、3 h热等静压后，材料的相对密度达到理论密度的99.5%，获得平均晶粒直径约为40 μm的细小等轴晶组织；包套与TA7 ELI粉末界面反应层厚度为3～8 μm，反应层富集Al和Sn元素，Fe元素沿TA7 ELI晶界快速扩散，在界面附近呈网状分布。

关键词：TA7 ELI粉末；热等静压；显微组织；反应层

中图分类号：TG 146.2　　     文献标志码：A

Preparation of powder metallurgy TA7 ELI alloy and its interface reaction layer

WU Jun, XU Lei, LEI Jia-feng, LIU Yu-yin

 (Titanium Alloy Department, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

Abstract: The TA7 ELI alloy was prepared by hot isostatic pressing (HIP) of high purity pre-alloyed powders using powder metallurgy Ti-5Al-2.5Sn ELI alloy. The grain size distribution, morphology and chemical component of the powders were investigated by particle analyzer and scanning electron microscopy (SEM). The microstructures of TA7 ELI sample after HIP were observed by optical microscopy (OP), and the diffusion layer between container and powders was analyzed by electron probe micro-analyzer (EPMA). The results indicate that the medium diameter of powder is about 80 μm, and the powders are nearly spherical. The relative density of powder material is over 99.5% after HIP at    1 000 ℃ and 130 MPa for 3 h.The fine equiaxed grain microstructure is obtained with average grain size of 40 μm. The diffusion layer with thickness of 3-8 μm enriches Al and Sn atoms. Due to the high diffusion rate of Fe element along titanium alloy grain boundaries, Fe element distributes in a network structure near the interface layer.

Key words: TA7 ELI powder; hot isostatic pressing; microstructure; diffusion layer

热等静压(HIP)是在高温下以惰性气体为介质，对粉末包套体施以等静压力，使颗粒之间通过位移、塑性流动、扩散的方式结合，将粉末冶金工艺中成形和烧结两个过程结合在一起同时进行，得到完全致密的工件^[1-3]。铸造和锻造加工是两种传统的钛合金成形工艺。铸造合金晶粒粗大，存在的成分偏析，铸造过程中容易出现疏松、缩孔等铸造缺陷，引起材料性能降低。锻造可以提高材料的性能，但是钛合金热加工窗口窄，而且难以制造形状复杂的工件。近年来，迅速发展的粉末冶金热等静压(HIP)近净成型工艺，制备的材料晶粒细小，无宏观偏析，完全致密，材料性能接近锻件，通过合理设计包套和模具可以制备形状复杂、尺寸精度高、常规加工方法难以加工的构件^[4-6]。

Ti-5Al-2.5Sn 合金(TA7)是α型单相合金，退火状态下使用，室温和高温下都具有良好的断裂韧性，低间隙的TA7 ELI合金适合低温使用^[7]。采用HIP技术制备的粉末冶金TA7 ELI合金具有广阔的应用前景。本文作者采用TA7 ELI预合金粉末，通过HIP实验制备该合金的致密材料，观察其显微组织，测试其室温力学性能，并分析粉末体与包套的界面反应。

1  实验

采用无坩埚感应熔炼超声气体雾化法(EIGA^[8])制备Ti-5Al-2.5Sn ELI预合金粉末；选择低碳钢作为包套材料。采用SA-CP3型岛津离心沉降式粒度分布仪测定装置测试粉末的粒度分布，采用岛津SSX-550扫描电镜观测粉末的形貌。粉末封装的振实密度达68%，除气真空度大于10^-2 Pa。热等静压实验使用QIH-21型设备，制度为1 000 ℃, 130 MPa, 3 h。采用氮氧测定仪和定氢仪测定粉末热等静压前后的气体含量；采用Axiovert200 MAT型光学显微镜、EPMA-1610电子探针对HIP后的样品进行显微组织、界面处反应产物分析。对热等静压后的材料进行室温拉伸性能的    测试。

2  结果与讨论

2.1  粉末表征

2.1.1  雾化粉末的形貌

图1所法为TA7 ELI粉末的表面形貌。从图1可以看出，粉末形貌以球形或近球形为主，大球表面吸附了少量的卫星球；多数粉末是实心的，少数大球存在空腔；粉末内部的孔洞是由于雾化法喷粉时，卷入了氩气，空心粉末的含量少，有利于热等静压致密化。

2.1.2  粉末的粒度分布

图2所示为TA7 ELI 预合金粉末的累积质量分布。由图2可以看出，粉末的平均粒径(d₅₀)约为80 μm，累积质量分数为90%(d₉₀)的粉末粒度约为160 μm。粒度分布在50～150 μm粉末约占60%。粉末颗粒总体上来说比较细小。这种具有一定粒度分布区间的粉末在填充时，小颗粒能进入大颗粒的间隙中，这样可以提高松装密度和振实密度。振实密度的提高，有利于粉末最终的致密化收缩和成形。

2.1.3  粉末的化学成分

TA7 ELI对合金元素杂质，特别是间隙元素O含量的要求严格，表1所列为采用的预合金粉末化学成分。

图1  TA7 ELI粉末表面形貌

Fig.1  Surface morphologies of TA7 ELI powders

图2  TA7 ELI粉末的粒度分布

Fig.2  Mass distribution rate of TA7 ELI powders

2.2  热等静压后的气体分析和显微组织

预合金粉末和热等静压后的TA7 ELI 合金的气体分析结果如表2所列。由表2可看出，HIP实验过程中材料引入的N、H、O量较少，将TA7 ELI合金的间隙杂质元素含量控制在允许范围内(w(N)≤3.5%，w(H)≤1.25%，w(O)≤12%)。

表1  TA7 ELI预合金粉末的化学成分

Table 1  Chemical composition of TA7 ELI pre-alloyed powders (mass fraction, %)

表2  间隙元素含量

Table 2  Interstitial elements contents

图3所示为TA7 ELI合金的显微组织。由图3可看出，TA7 ELI预合金粉末在HIP成形后，得到了致密无孔隙的组织，相对密度达到99.5%以上(见图3(a))；其铸态组织中原始β晶粒粗大，在其内部形成典型的α片层组织(见图3(b))。经HIP后，组织为细小的等轴晶，平均粒径约为40 μm，且等轴晶具有双套组织的特点，即由尺寸一大一小两种等轴α构成。在HIP过程中，粉末体除了以颗粒位移重排来收缩，还通过塑性变形等方式致密化，粉末晶格畸变严重，容易发生动态回复和动态再结晶，首先促使形成烧结颈，并出现晶粒的长大^[9]。但是，粉末中的孔隙会阻碍再结晶的过程，晶粒长大现象不明显。在原始粉末间的接触面是HIP后的等轴组织晶界的原型。所以，粉末冶金在制备晶粒细小的TA7 ELI 合金方面具有的显著优势。

图3  TA7 ELI 合金的显微组织

Fig.3  Microstructures of TA7 ELI alloy: (a) As-HIP; (b) As-cast

表3所列为粉末HIP和锻造两种热加工后的TA7 ELI经800 ℃、1 h、AC退火后的室温拉伸性能对比。由表3可看出，粉末HIP成形获得TA7 ELI的室温拉伸性能优良，断裂强度与锻造的接近，屈服强度比锻造的提高8%，塑性δ₅比锻造的提高3%，断面收缩率(ψ)比锻造的提高33%。

表3  TA7 ELI合金经800 ℃，AC，1 h退火后的室温拉伸性能

Table 3  Room temperature tensile properties of TA7 ELI alloy after annealing at 800 ℃, AC for 1 h

2.3  包套/TA7 ELI粉末的界面反应

图4所示为TA7 ELI和低碳钢的界面。图4(a)所示为TA7 ELI与低碳钢包套在界面处的背散射图像。由图4(a)可看出，钛/低碳钢界面结合良好，界面不平直，是由低碳钢包套机加工粗糙表面造成的。图4(a)中箭头所示为界面反应层，厚度约为3～8 μm。在HIP温度下，包套与钛合金的元素发生互扩散，由于向包套铁基体扩散的钛基体合金元素可以用酸洗去除，而铁元素从包套界面处向钛合金扩散是关注焦点。图4(b)所示为Fe元素在界面处的面扫描。由图4(b)可看出，在离界面100 μm的范围内，可以看到Fe呈网状分布，箭头处的定量分析结果为Al 1.4%，Fe 11.1%，Ti 85.9%，Sn 1.6%。说明Fe往钛合金基体中扩散较深，而Fe的加入会给TA7 ELI合金带来冷脆性，影响工件整体低温性能。室温下，铁在α钛中的溶解度很小；铁是最强的β稳定剂之一，在高温下易于在具有体心立方的β相中扩散，固溶度大。在1 000 ℃ HIP时，略高于α/α+β相变点，等轴α晶粒在沿晶界处中会析出少量β，而且晶界又是快速扩散的通道，所以Fe原子沿等轴晶界处β相中快速扩散。冷却时，铁元素将β相稳定下来，在α晶界处形成富含铁的网状分布的β相，如图4(a)中TA7 ELI 基体中的白亮处即β相。反应层的定量分析结果如图5所示。由图5可看出，Al 和Sn元素在界面均有富集，TA7 ELI侧从基体到界面处，Al质量分数由5.1%上升至11.4%， Sn的质量分数由2.1%上升至4.1%，原因可能是受Fe的影响，化学位升高，发生上坡扩散。总之，反应层的合金成分与基体有较大差异，反应层的存在必定会给表面的质量和材料整体性能带来有害影响。

图4  TA7 ELI和低碳钢的界面

Fig.4   Interface of TA7 ELI and low carbon steel: (a) BSE image; (b) X-ray area map of Fe

图5  反应层元素浓度分布

Fig.5  Elements concentration distribution at interface

3  结论

1) 采用粒度呈正态分布、球形形貌的TA7 ELI预合金粉末HIP成形后，粉末冶金制品的相对密度达99.5%，杂质含量只有极少量增加，显微组织为细小的等轴晶，平均粒径约为40 μm，室温拉伸性能强度达到锻造水平，塑性高于锻造的。

2) 低碳钢包套与TA7 ELI粉末体反应层厚度为3～8 μm，Al和Sn发生上坡扩散，在界面处富集。Fe沿α晶界扩散，并将在晶界的β相稳定至室温，在界面附近并形成网状分布的β相。

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(编辑 李艳红)

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