【摘 要】
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(α+β)双相粉末冶金钛合金因具有优良的性能,在医疗、航天航空以及生物材料等领域得到了广泛的使用。钛与氧、碳、氯、氟等杂质元素有着极强的亲和力,其中氧是最容易引入的杂质元素。富氧的原材料,封闭性较差的加工过程和易氧化的服役环境都会使合金的氧含量大幅度提升。而Ti-6Al-4V合金存在一个氧含量0.32 wt.%阈值,超过该值会使合金塑性呈断崖式下降,该现象成为双相粉末冶金钛合金应用的主要障碍。针对
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(α+β)双相粉末冶金钛合金因具有优良的性能,在医疗、航天航空以及生物材料等领域得到了广泛的使用。钛与氧、碳、氯、氟等杂质元素有着极强的亲和力,其中氧是最容易引入的杂质元素。富氧的原材料,封闭性较差的加工过程和易氧化的服役环境都会使合金的氧含量大幅度提升。而Ti-6Al-4V合金存在一个氧含量0.32 wt.%阈值,超过该值会使合金塑性呈断崖式下降,该现象成为双相粉末冶金钛合金应用的主要障碍。针对此问题,本文通过在降低富氧Ti-6Al-4V合金中的铝含量,制备Ti-4V-x Al-y O（x=0,1.5,2.5,3.5,6 y=0.18,0.35,0.5,0.65,0.8）样品,对比在不同氧含量与铝含量下合金力学性能,系统的构建了合金微观组织α相、β相体积分数、片层α相厚度与力学性能之间的关系,并通过设计热处理,建立了温度、保温时间与冷却速度对微观组织及性能变化影响的联系。研究表明,当O含量为0.18 wt.%时,随着合金中Al含量的降低,合金抗拉强度降低但塑性呈现升高趋势,由Ti-6Al-4V-0.18O的857 MPa与11.8%转变为Ti-4V-0.18O的595 MPa与13.9%,合金皆为韧性断裂。当O含量升高至0.35 wt.%时,Ti-6Al-4V-0.35O合金微观组织中会出现导致强度提高但塑性变差的组织,如针状α′以及微小的第二相等,Ti-6Al-4V-0.35O合金获得最高抗拉强度898 MPa,但延伸率仅为3.9%,断口表现为脆性断裂的特征。通过降低Al含量能够提高组织中的β相体积分数,合金的强度减小但塑性提高,且Ti-4V-0.35O合金中未发现高强度低塑性的针状α′相,室温拉伸断口形貌为典型韧性断裂特征,获得的抗拉强度为697 MPa,延伸率可达12.5%。当氧含量超过0.5wt.%时,合金塑性显著降低,几乎全部为脆性断裂。当经过1000×0.5h+890×3h（油冷）热处理后,Ti-4V-0.35O-x Al钛合金出现明显网篮组织特征,因粗大的β晶界破碎导致合金的抗拉强度由697 MPa降低至652 MPa,而通过粉末冶金制备的Ti-6Al-4V合金因真空烧结炉无法进行油冷处理,烧结后很难获得网篮组织特征,通常得到塑性较差的魏氏组织。对Ti-4V-0.35O钛合金进行400℃保温以探究α/β相界对合金力学性能的影响发现,随保温时间增加,合金的强度由705 MPa升高至895 MPa,这是由于合金中尺寸较小的次生α相数量增多,同含量的次生α相代替尺寸较大的初生片层α相会导致α/β相界数量增加,钛合金在变形时位错需要穿过界面的应力增大,起到了强化合金的作用。
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