TC4-6 wt.%Cu热压烧结组织及性能研究

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钛合金具有高的比强度,与常用的铝材、钢材相比在抗腐蚀性及耐热性上有明显优势,使用温度范围广,目前在军事、航空航天领域中是一种重要的新兴材料。但是钛合金导电性能和导热性能较差。铜的导电性能优异,将铜作为合金元素加入钛合金中会改善钛合金的导电性能,有利于钛合金关于导电性能上的应用。另外铜元素作为钛的快共析元素,会在钛合金中起到强化作用,一部分的Cu元素会与α-Ti形成固溶,对合金起到固溶强化的作用,一部分会与钛元素发生共析反应形成共析产物Ti2Cu相,通过析出强化进一步改善钛合金的力学性能,能在不降低钛合金力学性能上提高导电性,为钛合金在电力领域的应用提供了可能。本文具体采用真空热压烧结的方法制备TC4-6 wt.%Cu材料,研究不同烧结温度、保温时间等影响因素对钛合金材料致密度、物相演变规律(XRD)、颗粒流动规律、元素扩散规律、力学性能及导电性的影响。本研究首先在商用模拟软件中对TC4-6 wt.%Cu合金进行了热压烧结的模拟过程,揭示了粉末颗粒的流动规律,并发现在靠近上压头两端区域在压力的直接作用下会形成高密度区,在靠近下压头两端区域会由于模具壁摩擦限制形成低密度区域。研究了烧结温度、保温时间和压制压力对中心相对密度的影响,模拟了实际烧结过程中烧结工艺参数对烧结样品的相对密度的影响。设置了0.6、0.8、1、1.2和1.4的高径比进行模拟,结果表明当高径比由0.6增大到1.4时,烧结试样在两边的低密度区域逐渐扩大,内部的相对密度分布逐渐不均匀,对后续实验的参数选择提供了依据。根据钛铜相图选择了五个烧结温度(800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃),研究发现烧结温度对材料的致密度和铜元素的扩散具有显著影响。烧结温度在950℃时不规则铜颗粒会溶解,铜元素一部分以固溶形式存在,一部分以共析产物存在,无铜残余,此时材料致密度可达98.0%,抗拉强度可达943 MPa,同时由于钛铜共析反应的发生,在α相周围存在的第二相化合物使材料延伸率有所降低,为6.1%。950℃以下时钛合金致密度有所降低,同时铜颗粒反应有残余存在,由于致密度较低,材料抗拉性能有所降低。1000℃时会使晶粒继续生长,晶粒尺寸较大,抗拉强度可达921 MPa。综上950℃烧结温度可以使材料致密,也能让Cu元素充分反应,生成Ti2Cu相弥散分布强化了钛合金基体,综合力学性能最优。采用真空热压烧结方法,能够有效提高合金原料的利用率,降低材料成本。另外,合金元素Cu的添加会减小烧结态TC4的孔隙率,在相同烧结参数下含6 wt.%Cu的TC4相对密度会比无铜TC4高出4.7%,同时提高了TC4的强度和硬度。在相同的热压烧结工艺参数下,TC4-6 wt.%Cu材料的电导率与TC4相比提高了20.5%,提升了钛合金的导电性能。
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