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粉末冶金法制备钛及钛合金

沈波涛  
【摘要】:钛及钛合金由于具有低密度、高比强度、良好生物相容性、卓越的高温强度、优异的耐腐蚀性能等优点,被广泛应用在航空航天、化工、汽车、生物工程、海洋工程、建筑等领域。近年来,用粉末冶金方法制备低切削率、高成材率、低成本、高性能、近静成型的钛产品成为一种国内外科学研究者关注的焦点。 本文以TiH2粉为原料,对TiH2进行了压制、脱氢、烧结及机械加工的研究。对制备性能优良、价格适中的钛及钛合金材料提供了依据。 TiH2的脱氢研究结果表明,TiH2的脱氢过程是一个吸热过程,在脱氢过程中有两个吸热峰,分别对应在500℃和530℃左右,脱氢过程为TiH2→TiH→Ti(H)。由XRD图谱检测得出TiH2在400℃开始发生分解,当烧结温度达到700℃时,TiH2的脱氢基本结束,当温度高于700℃时,脱氢以脱除晶格间的固溶态氢为主。TiH2的分解反应在峰值温度时分解反应最激烈。组织分析结果得出:经过600℃的烧结,组织上有白色针状氢化钛分布于部分颗粒之上,在700℃时白色针状氢化钛消失,但是由于烧结温度没有达到α-Ti向β-Ti的转变温度,故晶粒没有出现太大的变化。 TiH2烧结样品的收缩率及相对密度变化结果表明,压制压力、保压时间、烧结温度、保温时间、升温速率等都对TiH2的烧结性能产生影响。其中,压制压力在低于400MPa时烧结样的收缩率及相对密度变化较大,当压力超过400MPa时,烧结样的收缩率及相对密度基本不再变化;保压时间低于20min时,烧结样的收缩率及相对密度变化较大,而当保压时间大于20min时,烧结样的收缩率及相对密度变化基本为一定值;烧结温度低于1200℃时,烧结样的收缩率及相对密度变化较大,高于1200℃时,烧结样接近全致密,收缩率及相对密度变化甚微;保温时间低于4h时,烧结样的收缩率及相对密度变化较大,大于4h时,烧结样的收缩率及相对密度基本不再变化;升温速率越高,烧结样的相对密度变化越大,故较低的升温速率有利于烧结样品的致密化。 不同气氛烧结下的性能研究结果表明,真空条件下烧结的Ti及Ti-6Al-4V样品中的碳、氢、氧、氮含量都达到了ASTM标准,力学性能也高于ASTM标准,但是烧结样品的晶粒粗大,严重影响使用性能。气氛(氢气和氩气的混合气体)烧结试验表明,Ti及Ti-6Al-4V的晶粒都明显得到了细化,力学性能也都较真空烧结要高。 Ti及Ti-6Al-4V的挤压及旋锻处理结果表明,孔隙的大小明显变小,数量明显变少,晶粒明显变细。纯钛经挤压变形后,抗拉强度及屈服强度较高,纯Ti的σb超过了600MPa,σ0.2也达到了450MPa以上。而Ti-6Al-4V的6b与60.2更高,分别超过了1160MPa和1060MPa,但是两者的弹性模量都较高,超过了100GPa;Ti及Ti-6Al-4V经旋锻处理的σb、60.2较挤压处理样有所降低,弹性模量也有变化;Ti经过压力加工后的密度接近全致密,泊松比接近于0.5。


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