楊 越¹賈建波¹劉文超¹徐 巖¹陳 晨¹劉鑫剛¹駱俊廷^1，2

1. 燕山大學先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室，秦皇島，066004

2. 燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室，秦皇島，066004

摘要：以氣霧化法獲得的Ti-22Al-25Nb（at. %）預合金粉末為初始原料，采用真空熱壓燒結工藝方法制備組織致密、成分均勻的粉末冶金 Ti-22Al-25Nb 合金。應用有限元軟件 MSC.Marc 對 Ti-22Al-25Nb（at. %）預合金粉末的致密化過程進行數值模擬，分析了溫度和壓力對 Ti-22Al-25Nb粉末致密化過程的影響，揭示了粉末相對密度隨溫度和壓力變化的規律，得到優化的燒結工藝參數，以指導熱壓實驗燒結。通過熱壓燒結實驗制備了組織致密、成分均勻的 Ti-22Al-25Nb合金，發現 1 050 ℃/35 MPa/1 h條件下燒結的合金具有最優的室溫和650 ℃高溫綜合力學性能。

關鍵詞：Ti-22Al-25Nb預合金粉末；真空熱壓燒結；致密化過程；力學性能

0 引言

自從BANERJEE等^[1]首次在Ti-25Al-12.5Nb（at. %）合金中發現具有正交有序O相的Ti ₂ AlNb金屬間化合物以來，作為 600～800 ℃溫度范圍內優異的輕質高溫結構材料，Ti ₂ AlNb合金因其密度低、比強度高、抗氧化和抗蠕變性能優良等優點，成為航空航天發動機制備材料的首選^[2-5] 。Ti-22Al-25Nb（at. %）合金屬于第二代Ti ₂ AlNb基合金，它不僅在室溫和高溫下表現出優良的力學性能，而且具有密度低、熔點高、比強度高、抗氧化和抗蠕變能力高等特點，得到了國內外眾多學者的關注。盡管Ti ₂ AlNb基合金具備以上諸多優點，但它在應用過程中仍有一些關鍵問題需要解決。Ti ₂ AlNb基合金鑄件存在顯微組織缺陷，表現出較差的力學性能，效率低且成本高^[5-7]。此外，Ti、Al、Nb元素的熔點、密度、擴散系數差異大，易發生元素偏析和元素燒損。作為一種近凈成形技術，粉末冶金法既能夠獲得晶粒細小、組織均勻且無宏觀偏析的合金，又能夠提高材料的綜合性能。真空熱壓燒結工藝^[8-9]是一種常用的粉末冶金法，通過對模具中的粉末進行加熱加壓，使粉末產生塑性流動從而完成燒結致密，具有加熱速度快、致密度高、組織均勻等特點^[10-11]。目前，許多學者已經通過真空熱壓反應燒結，成功制備了Ti ₂ AlNb 基合金^[12-13]。WANG等^[12]以 Ti、Al、Nb 元素粉末為原料，采用熱壓反應燒結工藝，成功制備了Ti-22Al-25Nb合金。WANG等^[13]采用熱壓反應燒結工藝對 Ti、Al、Nb元素粉進行反應燒結，并分別對O相的產生與反應燒結機制進行了分析。但在熱壓燒結工藝制備Ti ₂ AlNb基合金的研究中，關于溫度和壓力對粉末相對密度影響的研究較少，關于熱壓燒結制備Ti-22Al-25Nb合金和相關的數值模擬也十分少見。在粉末冶金Ti-22Al-25Nb合金的熱壓燒結工藝過程中，溫度和壓力對粉末的致密化過程具有重要的影響，其優化參數的確定需要進行多次反復實驗，費時費力；而有限元分析方法能大大簡化熱壓燒結參數制定和優化過程，有效節省了時間，降低了成本?；诖?，本文通過真空熱壓燒結工藝方法制備組織致密、成分均勻的 Ti-22Al-25Nb 合金，運用 MSC.MARC 有限元軟件，在 950~1 100 ℃溫度范圍、20~35 MPa 壓力條件下進行數值模擬，得出粉末相對密度隨溫度和壓力的影響規律，并對其燒結參數進行優化，分析燒結合金的溫度場和相對密度分布規律。結合燒結實驗，研究壓力和溫度對燒結合金的相對密度、相組成和顯微組織演變的影響。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗材料為 Ti-22Al-25Nb（at. %）的預合金粉末，該粉末通過氣霧化法制得。采用 SEM對預合金粉末進行觀察，其形貌見圖 1。由圖 1a 可知，Ti-22Al-25Nb 預合金粉末為粒度尺寸大小不一的球形顆粒，粉末中也存在極少數的橢圓形或扁平狀粉末和光滑球狀粉末。由圖1b可知，粉末顆粒表面出現枝晶形貌，該枝晶結構受到單個粉末顆粒冷卻速率和粉末顆粒直徑的影響^[14-16]，且在預合金粉末表面還存在縮孔缺陷。經線截法統計，Ti-22Al-25Nb（at. %）的預合金粉末平均粉末粒度為84 μm。

Ti-22Al-25Nb（at. %）預合金粉末的XRD譜圖見圖2。由圖2觀察得，預合金粉末只含B2基體相，未見α₂（Ti ₃ Al）和O（Ti ₂ AlNb）相。其原因在于，氣霧化制粉過程中，粉末熔融液滴冷卻速率特別高，從而僅保留高溫條件下的B2相。

1.2 實驗方法

燒結實驗在ZRY55型熱壓燒結爐中進行，真空度為10 ^-3 Pa，燒結溫度分別為950℃、1 050℃和1 100℃，燒結壓力為35 MPa，保溫時間為1 h，燒結模具為高強石墨模具。燒結合金密度采用阿基米德排水法^[17-18]進行測量。采用X射線衍射（X-ray diffractometer，XRD）進行相分析，工作參數如下：電壓40 kV，電流40 mA，靶材為Cu靶，衍射范圍為20°~100°，步長為0.02°。采用線切割切取燒結坯料試樣，經砂紙多道次打磨、拋光后，采用體積分數 5%的氫氟酸、15%的硝酸和 60%的蒸餾水對樣品進行腐蝕。通過 S4700 型掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopy，SEM）觀察粉體形貌及燒結合金的顯微組織。室溫和650 ℃高溫拉伸 實 驗 均 在 空 氣 中 進 行 ，實 驗 設 備 為 Instron

5500R型電子萬能實驗機，拉伸速率為0.2 mm/min，拉伸試樣尺寸為1 mm× 3mm×13 mm。

2 真空熱壓燒結工藝熱力耦合分析

2.1 有限元模擬

采用Marc軟件對Ti-22Al-25Nb預合金粉末的真空熱壓燒結工藝進行模擬，所建有限元模型為二維平面軸對稱模型。真空熱壓燒結有限元模型如圖3所示。燒結材料的半徑為25 mm。采用8節點28號平面單元自由網格劃分，選用powder粉末模塊，Shima 屈服準則。實驗模具采用抗壓強度σ= 70 MPa的高強石墨，該模具包括上壓頭、下壓頭和套筒。

根據燒結理論^[19]，燒結溫度一般為基體組元熔點的0.7～0.8倍。由于在熱壓燒結中有外部施加的單軸力，故其燒結溫度比普通燒結溫度低。Ti-22Al-25Nb 預合金粉末的基體組元為Ti，其熔點為1668℃。因此，本文中選取燒結溫度范圍為950~1 100℃，涵蓋B2相區、α₂ +B2 相區及α₂ +B2/β+O相區3個相區^[20]。在900℃以下采用15℃/min的升溫速率，達到900℃后再以10 ℃/min的升溫速率達到預定的燒結溫度，然后燒結1 h。添加壓力載荷曲線，在未達到燒結溫度前，壓力載荷為0。制定1050℃/35 MPa/1 h燒結工藝路線圖（圖 4），其他溫度和壓力下的燒結工藝路線可參考圖4設定。設置粉末的初始相對密度為0.7，初始溫度為300 K，并添加到粉末的節點上。添加壓力載荷曲線，導入Marc中進行計算。

2.2 結果分析

2.2.1 溫度對粉末冶金Ti-22Al-25Nb合金相對密

度的影響

熱壓燒結合金的致密化是由原子的擴散運動引起的，其快慢受到原子擴散系數的影響，而原子的擴散系數與燒結溫度密切相關，因此，首先采用控制變量法，在燒結壓力為35 MPa、燒結時間為1 h、不同燒結溫度條件下獲得燒結合金的相對密度的云圖（圖 5）。由圖5a可以發現，合金相對密度整體呈表面高、心部低的趨勢。沿軸向靠近壓頭的位置相對密度高于燒結坯料的中心相對密度，最大的相對密度發生在模具內壁與壓頭接觸區域，其值為98.221%。沿徑向燒結合金的兩端相對密度分布高于合金中心部位，相對密度最大區域為坯料與模具接觸區域，其值為98.228%；相對密度最小區域接近坯料中心部位，其值為98.227%；由圖5b～圖5c可以發現，隨著燒結溫度的升高，相對密度的分布規律和圖5a相似，但最大相對密度分別增至99.46%和99.64%。燒結合金的各個區域的相對密度分布比較均勻，數值差別很小。這主要是由于保壓時間比較長，原子擴散足夠充分。

為了研究溫度和壓力因素對燒結合金的相對密度的影響規律，選取燒結坯料中心部位與上壓頭接觸點（節點977）作為研究對象。圖6為燒結壓力為 35 MPa 時節點977軸向位移與相對密度的變化曲線，溫度升高，軸向位移增大，粉末顆粒之間結合更緊密，原子擴散更充分，相對密度隨之提高。在950℃/35 MPa/1 h 條件下，最大軸向位移S _max = 4.3 mm，最大相對密度ρ_max = 98.23%；1050℃/35 MPa/1 h條件下 ，S _max = 4.4 mm，ρ_max = 99.46%；1100 ℃/35 MPa/1 h條件下， S _max =4.5 mm，ρ_max = 99.64%。圖7為燒結壓力為35MPa時節點977在不同溫度下相對密度的變化曲線。由圖7可知，隨著燒結時間的推移，相對密度隨之增大，且相對密度的增大速率逐漸減小。隨著溫度的升高，粉末的相對密度也隨之增大。當燒結溫度為950℃時，燒結合金的相對密度為98.23%；燒結溫度升至1 050℃時，燒結合金的相對密度為99.46%，提高了1.23%；當溫度為1100 ℃時，燒結合金的相對密度為99.64%，僅提高0.18%，可以看出，隨著燒結溫度的繼續升高，燒結合金的相對密度呈增大趨勢；但當燒結溫度為1050 ℃時，燒結合金的相對密度的變化很小，說明1050 ℃與1100 ℃燒結體相對密度接近致密狀態。

2.2.2 壓力對粉末冶金Ti-22Al-25Nb合金相對密度的影響

除溫度對燒結合金的相對密度有顯著影響外，施加壓力可促進粉末顆粒之間的流動，發生塑性變形，增大粉末顆粒之間的結合力，進而提升燒結合金的相對密度。分析燒結溫度1050℃、燒結時間1h、不同燒結壓力條件下對燒結合金的相對密度的影響，相對密度分布云圖見圖8。由圖8a可以發現，沿軸向來看，高的相對密度區域主要集中在壓頭附近，其最大值為96.02 %；中心部位相對密度最小，為95.97 %。沿徑向來看，最大相對密度出現在模具內壁邊緣處，其值為96.01 %。由圖8可知，燒結壓力從20 MPa 增至35 MPa，隨著燒結壓力的增大，燒結坯料的相對密度也隨之增大，燒結坯料逐漸接近致密狀態，相對密度值分別為96.02 %、97.33 %、98.09 %、99.46 %。圖9為不同燒結壓力下的節點977的相對密度隨軸向位移的變化曲線。由圖9可以明顯發現，燒結溫度不變，增大燒結壓力，燒結合金相對密度呈遞增趨勢。在1050℃/35 MPa/1 h條件下，粉末的相對密度最大，達到99.46 %，接近致密。圖10為燒結溫度為1050℃時節點 977 在不同燒結壓力下的相對密度變化曲線。由圖10可知，隨著燒結時間的推移，燒結坯料的相對密度前期增長迅速，后期緩慢增加。此外，隨著燒結壓力的增大，燒結合金的相對密度增加速率加快。

2.2.3 溫度場分布

圖11為1050℃/35 MPa/1 h燒結條件下溫度場分布云圖。由圖11a可知，溫度最高區域位于套筒和壓頭外端邊緣。溫度最高值為1312 K，最低溫度區域位于燒結合金內部，其值為1295 K，差值僅為7 K，表明溫度分布均勻。套筒和上下壓頭溫度高于粉末的溫度，這是由于爐腔由外向內進行熱輻射傳遞。如圖11b所示，燒結合金的溫度場沿徑向呈心部溫度略低、邊緣溫度略高的趨勢，其溫度分布范圍為1295~1300 K，最高溫度值1300 K位于燒結合金的邊緣處，最低溫度

1295K位于其心部，徑向溫差僅為5K，表明燒結合金內部的溫度分布均勻。

3 實驗驗證

為了驗證燒結模擬結果的準確性，分別在950℃/35 MPa/1 h、1 050℃/35 MPa/1 h、1100 ℃/35 MPa/1 h條件下進行熱壓燒結實驗。采用阿基米德排水法測得燒結合金密度并與模擬結果進行對比，結果見圖12。由圖12可知，隨著燒結溫度的提高，燒結合金相對密度也隨之增大。在950℃/1 h/35 MPa、1 050℃/1 h/35 MPa、1100℃/1 h/35MPa條件下，實際測得的相對密度分別為99.4%、99.7%、99.8%。與模擬相對密度數據相對比，分別相差1.2%、0.2%、0.2%。對不同溫度燒結合金進行物相分析，其XRD圖譜見圖13。由圖13可知，燒結合金均全由O相和B2相組成，同時也存在很少的α₂相。此外，由圖13可以發現，950 ℃燒結合金衍射峰峰值相對1050℃燒結合金和1100 ℃燒結合金衍射峰峰值較小，說明燒結溫度低，晶粒細小。

圖14為不同燒結溫度下獲得燒結合金的SEM圖片。由圖14a可觀察到，950 ℃燒結合金其晶粒由粗大的等軸晶B2相基體、晶內的針狀板條O相以及沿晶界分布的黑色α₂相構成。由圖14b、圖14c可知，隨著燒結溫度升高，與950 ℃燒結合金相比，1050 ℃燒結合金與1100 ℃燒結合金的晶粒尺寸明顯長大，B2相晶粒尺寸變得更加粗大。在1050 ℃燒結合金與1100 ℃燒結合金的晶粒內部也都有大量的O相析出，通過圖13燒結合金的XRD 圖譜也可以明顯觀察到。對燒結坯料進行室溫和650 ℃拉伸試驗，數值統計結果見圖15。由圖15可知，室溫下950 ℃/35 MPa/1 h燒結合金的屈服強度最大，其值為799.58 MPa，延伸率為3.95 %。隨著燒結溫度的提高，燒結合金的屈服強度和延伸率均有不同程度的降低。其中，1050 ℃/35M Pa/1 h 燒結合金的屈服強度和延伸率分別為649.31 MPa、3.91 %。當拉伸溫度增至650℃后，燒結合金的塑性得到改善。其中，1050 ℃燒結合金展現出最佳的延伸率，其值為7.97 %。綜合室溫和650 ℃拉伸試驗結果，確定1050 ℃/35 MPa/1 h條件下燒結的合金具有最優的綜合力學性能。

4 結論

（1）燒結合金的相對密度最大值位于壓頭附近，心部的相對密度最小。當壓力一定時，隨著燒結溫度的升高，相對密度逐漸增大，1050 ℃與1100 ℃時燒結合金的相對密度接近致密，分別為99.46 %和 99.64 %。當燒結溫度一定時，燒結合金的相對密度隨著燒結壓力的增大而增大，燒結壓力為35 MPa時相對密度達到最大，相對密度為99.5 %。

（2）1 050 ℃/35 MPa/1 h 條件下，模具與壓頭外邊緣處溫度最高，心部溫度最低，溫度值由外向內逐漸降低，溫差為7 K，溫度分布均勻。

（3）1 050 ℃/35 MPa/1 h燒結合金具有更優的綜合力學性能，室溫下，其屈服強度和延伸率分別為649.31 MPa、3.91%；650 ℃時，1050 ℃燒結材料的屈服強度和延伸率分別為424.92 MPa、7.97%。