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《粉末冶金技术》好文分享:热挤压和旋锻粉末冶金纯钛的组织和力

2022-09-25 03:20:13 来源:OB体育app下载 作者:欧宝体育app官网下载

  原标题:《粉末冶金技术》好文分享:热挤压和旋锻粉末冶金纯钛的组织和力学性能

  采用粉末冶金技术结合热挤压和旋锻工艺制备纯钛棒,利用万能试验机、维氏显微硬度仪、金相显微镜、高精度多功能密度计等设备测试纯钛棒的屈服强度、维氏硬度、显微组织和相对密度,研究了纯钛棒的制备工艺及其微观组织结构对材料力学性能的影响。研究表明,利用粉末冶金技术结合热挤压和旋锻工艺制备的纯钛棒屈服强度是880 MPa,均匀延伸率是4.06%,在拉伸变形过程中发生韧性断裂。纯钛棒显微组织为等轴状的细晶粒组织,平均晶粒尺寸约1 μm,组织分布均匀,无明显裂纹和缺陷,有较高的相对密度。

  钛由于化学性质稳定、耐高温、耐低温、抗强酸,具有高强度、低密度、良好的压力加工性能和低温下无脆性等优点,被广泛应用于航天航空、航海、化学工业、生物医学、信息技术、交通、建筑等各个领域。钛耐腐蚀性能强,高温下抗蠕变性能好,外表美观,在生物医学和航天航空领域中是必不可少的材料,但是合成工艺复杂、成本高,需要简化工艺、降低成本才能被更广泛的应用。

  钛的体材料合成工艺有很多,例如铸造成形、粉末冶金成形。钛的熔炼、加工和提取十分困难,使得钛材料在应用中受到限制,而熔炼铸造法对钛材料的利用率不高,无形中提高了钛合金的生产成本。为了打破瓶颈,可采用新型粉末冶金技术,该技术可以使材料有特殊的结构和优异的力学性能,而这些性能是其他方法无法获得。从力学性能上看,粉末冶技术可以最大限度地减少合金成分偏析,消除粗大、不均匀的铸造组织,得到优异的力学性能;从经济上看,粉末冶金技术的工艺简单,生产后不需要机加工或只需很少的机加工,这样可以大大提高利用率,降低了材料的生产成本。但是该方法也有不易克服的缺点,例如产品的相对密度低,应力分布不均匀等,这些缺点会影响产品的力学性能。冷挤压、温挤压、锻造等工艺技术可以细化晶粒,提高相对密度,使金属具有良好的力学性能并且延长使用寿命。热挤压工艺是一种先进的塑性加工方法,利用挤压机上挤压杆传递高压,对封闭在挤压筒中的原料进行挤压,形成与模具形状相同的制品,具有提高金属变形能力,制品综合质量高,产品范围广等优点。旋转锻造是一种用于棒料、管材或线材精密制造的渐进净成形工艺,且是一种局部而连续、无屑且精密的金属成形加工工艺。钛及钛合金是难变形金属,价格昂贵,因此对高要求的钛管、钛棒、钛型材材料而言,采用粉末冶金技术配合热挤压及旋转锻造是最有发展前途的生产方法。

  本文利用粉末冶金技术加热挤压及旋转锻造制备钛棒。先将钛粉挤压成块状,烧结成形,再利用热挤压、旋锻工艺最终合成棒材。对钛棒进行力学性能测试、显微硬度测试、金相组织分析、断口分析,通过建立制备工艺与力学性能的关系来探索一条制备钛材的新路。

  实验所用的原材料是纯度为99.6%~99.7%的钛粉,粉末粒度是200目。在室温下将钛粉压制成直径为60 mm的块体,挤压力是400 MPa,然后在线 ℃,温度的上升速度是10 ℃·min −1 ,线所示。将烧结后的块体挤压成直径为20 mm的钛棒,挤压温度是600 ℃,温度的上升速度是150~180 ℃·min −1 。将钛棒在室温下旋锻,形成直径为4.5 mm的钛棒(Ti–粉末冶金)。热挤压和室温旋锻的加工示意图见图1。为了与粉末冶金制备的钛棒做对比,本研究还进行了另外一组钛材的低温轧制实验。实验用材料是商业纯钛Ta1,板材厚度是2 mm,其化学成分(质量分数)除钛之外,还包括0.180%氧,0.015%氢,0.080%碳,0.030%氮,0.200%铁。低温轧制工艺流程如图2所示,钛板在700 ℃线 h,然后随炉冷却,得到均匀的纯钛试样,本文称为退火钛(Ti–退火)。退火钛在液氮下侵入3 min,然后快速取出进行多道次轧制,轧制设备是四辊轧机,最大轧制力为30 t,轧制速度为0.231 m·s −1 ,最大轧制扭矩为195 kg·m −1 ,每道次减薄量为0.45 mm,最终样品厚度为1 mm(Ti–低温轧制)。

  将粉末冶金的样品制成ϕ4.5 mm×15 mm规格的拉伸试样。低温轧制样品是长度为15 mm、宽度为5 mm、厚度为1 mm的拉伸试样,将样品表面抛光至镜面,光洁度为14。使用万能试验机(SHIMADZU AG-X)在室温下进行单轴拉伸实验,应变速率为5.0×10−4 S −1 ,最大载荷为100 kN。在每个测试条件下至少进行三次拉伸测试,以确保应力–应变曲线是万能试验机的实物图和拉伸试样的示意图。样品横截面的硬度在维氏显微硬度测试仪(HVST-1000Z)下测量,载荷50 g,持续时间15 s,相邻压痕之间的距离为100 μm,总测试的深度为2.25 mm。每个深度的硬度值是5个压痕的平均值。将钛棒的表面抛光至表面光亮且划痕较少,用腐蚀液腐蚀后在金相显微镜(Axio vert A1m)下观察钛棒的组织形貌。样品的相对密度使用高精度多功能密度计(FK-300Y)测量。

  表1是试样拉伸数据,图4是粉末冶金技术工艺制备的钛棒、低温轧制工艺制备的钛材及退火钛的工程应力–应变曲线。从低温轧制实验可知,退火钛的屈服强度较低,有较好的均匀延伸率。经过低温轧制处理后钛材屈服强度有明显的提高,但是均匀延伸率下降了。粉末冶金和低温轧制的钛材在拉伸过程中应力到达屈服点后迅速增加至最大值,然后进入颈缩阶段,在整个变形过程中几乎没有加工硬化阶段。粉末冶金和低温轧制钛材的工程应力到达最大值后开始下降,下降趋势缓慢,说明断裂延伸率较好。经热挤压和旋锻处理后,钛棒中大晶粒被破碎为更细小的晶粒,退火钛的晶粒在低温轧制后也会被细化,晶粒细化后晶界会明显增多,晶界会阻碍位错运动,有显著的强化作用,使得材料的屈服强度提高。加工硬化与位错密度的增加有直接的关系。热挤压、旋锻和轧制工艺会使大晶粒细化成小晶粒,在变形过程中位错迅速向晶界扩散并被晶界吸收,在这个过程中发生了动态回复,位错的湮灭速度大于其增殖速度,使得晶粒内难以储存位错,无明显的加工硬化现象,均匀延伸率不高。粉末冶金工艺制备的钛材屈服强度比低温轧制工艺制备的钛材屈服强度高221 MPa,两者均匀延伸率相差不大,故利用粉末冶金技术会得到力学性能更优异的钛材。

  图4 钛材应力–应变曲线所示为粉末冶金钛棒从表面到芯部的显微硬度分布。从图中知道,钛棒的硬度值在2814~3084 MPa范围内,有小幅度波动。硬度不随深度的增加而出现明显的变化,整体上是平缓的趋势。由此可见,钛棒的硬度不随距表面深度的变化而变化,说明粉末冶金工艺制备的钛材料从表面到芯部的组织分布均匀。

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