D0I:10.13374/1.issm100103.2008.08.019 第30卷第8期 北京科技大学学报 Vol.30 No.8 2008年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2008 置氢对TC4合金粉末物理性能和压制性能的影响 田亚强)陈晓辉)侯红亮)任学平) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京航空制造工程研究所，北京100024 摘要采用扫描电镜观察，粉末镶嵌试样XRD和模压成形等方法，研究了置氢对TC4合金粉末颗粒形貌，表面状态，显微 硬度、显微组织、相组成和压制性能等的影响·结果表明：置氢TC4粉末颗粒形貌为不规则状，粉末基本由亮相α相及暗相阝 相组成，颗粒显微组织呈片状、针状和板条状·随置氢量的增大，置氢TC4粉末显微硬度总体上趋于降低；α相逐渐减少，3相 逐渐增多，置氢量达到0.32%（质量分数）时出现少量的针状a"相，置氢量为0.42%和0.46%时组织为明显的板条状(6氢化 物)：粉末的压缩性能逐渐变好，成形性能逐渐变差，置氢量0.46%的TC4粉末的压制性能最好. 关键词钛合金粉末：置氢；物理性能：压制性能 分类号TG146.2+3 Influence of hydrogenation on the physical and pressing properties of TC4 alloy powder TIAN Yagiang,CHEN Xiaohui),HOU Hongliang,REN Xueping) 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute,Beijing 100024.China ABSTRACI The influences of hydrogenation on the particle morphology and surface state,microhardness,particle microstructure. phase component and pressing property of TC4 alloy powder were studied by means of SEM,powder inlaid,XRD and die forming. The results show that hydrogenated TC4 alloy powder possesses irregular morphology,which is composed of bright a phase and dark B phase and exhibits lamellar structure,needle-like and lath"shaped structure.With the increase of hydrogen content,the particle morphology of hydrogenated TC4 alloy powder was mostly irregular,but the microhardness showed a decreasing trend.a phase de- creased and phase increased gradually.When the mass fraction of hydrogen was 0.32wtphase appeared,and when the mass fraction of hydrogen reached 0.42%or0.46%,the particle microstructure was lath-shaped (TiHx)obviously.The compressive property of hydrogenated TC4 alloy powder became better,the forming property got worse gradually with increasing hydrogen con- tent,and the pressing property of the powder with a mass fraction of hydrogen of 0.46%is the best. KEY WORDS titanium alloy powder:hydrogenation:physical property:pressing property 钛合金室温塑性低，冷加工非常困难，但热变形 因而占全部用钛量的50%以上[8]；为提高航空效率 温度高，流动应力大，应变速率低，大大限制了钛合 和降低成本，飞机结构件减重的重要方法是采用比 金的变形工艺和应用山，研究表明，钛合金中引入 强度高、综合性能好的TC4钛合金.本文主要研 临时合金元素氢，可以使(a十B)/B转变温度降低， 究置氢对TC4粉末颗粒形貌、表面状态、显微组织、 增加3相，从而降低热加工流变应力2]，明显改善 相组成、显微硬度等物理性能和压制性能的影响，得 钛合金的组织结构、力学及加工性能[] 出置氢TC4粉末的评价体系，以利于置氢TC4钛 TC4合金在耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、 合金粉末的固结加工及其置氢改性机理的研究， 可焊性、耐蚀性和生物相容性方面均达到较好水平， 收稿日期：2007-07-17修回日期：2007-12-07 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(N。,11AZ6305) 作者简介：田亚强(1980一)，男，博士研究生：任学平(1957一)，男，教授，博士生导师，E-mail:xp33@mater-ustb-edu-cn
置氢对 TC4合金粉末物理性能和压制性能的影响 田亚强1） 陈晓辉1） 侯红亮2） 任学平1） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 2） 北京航空制造工程研究所北京100024 摘 要 采用扫描电镜观察、粉末镶嵌试样、XRD 和模压成形等方法研究了置氢对 TC4合金粉末颗粒形貌、表面状态、显微 硬度、显微组织、相组成和压制性能等的影响．结果表明：置氢 TC4粉末颗粒形貌为不规则状粉末基本由亮相 α相及暗相β 相组成颗粒显微组织呈片状、针状和板条状．随置氢量的增大置氢 TC4粉末显微硬度总体上趋于降低；α相逐渐减少β相 逐渐增多置氢量达到0∙32％（质量分数）时出现少量的针状 α″相置氢量为0∙42％和0∙46％时组织为明显的板条状（δ氢化 物）；粉末的压缩性能逐渐变好成形性能逐渐变差置氢量0∙46％的 TC4粉末的压制性能最好． 关键词 钛合金粉末；置氢；物理性能；压制性能 分类号 TG146∙2＋3 Influence of hydrogenation on the physical and pressing properties of TC4alloy powder TIA N Y aqiang 1）CHEN Xiaohui 1）HOU Hongliang 2）REN Xueping 1） 1） School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research InstituteBeijing100024China ABSTRACT T he influences of hydrogenation on the particle morphology and surface statemicrohardnessparticle microstructure phase component and pressing property of TC4alloy powder were studied by means of SEMpowder inlaidXRD and die forming． T he results show that hydrogenated TC4alloy powder possesses irregular morphologywhich is composed of bright αphase and dark βphase and exhibits lamellar structureneedle-like and lath-shaped structure．With the increase of hydrogen contentthe particle morphology of hydrogenated TC4alloy powder was mostly irregularbut the microhardness showed a decreasing trendαphase decreased and βphase increased gradually．When the mass fraction of hydrogen was0∙32wt％α″phase appearedand when the mass fraction of hydrogen reached0∙42％ or0∙46％the particle microstructure was lath-shaped （δ-TiHX） obviously．T he compressive property of hydrogenated TC4alloy powder became betterthe forming property got worse gradually with increasing hydrogen contentand the pressing property of the powder with a mass fraction of hydrogen of 0∙46％ is the best． KEY WORDS titanium alloy powder；hydrogenation；physical property；pressing property 收稿日期：2007-07-17 修回日期：2007-12-07 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目（No．11AZ6305） 作者简介：田亚强（1980—）男博士研究生；任学平（1957—）男教授博士生导师E-mail：rxp33＠mater．ustb．edu．cn 钛合金室温塑性低冷加工非常困难但热变形 温度高流动应力大应变速率低大大限制了钛合 金的变形工艺和应用［1］．研究表明钛合金中引入 临时合金元素氢可以使（α＋β）／β转变温度降低 增加 β相从而降低热加工流变应力［2—3］明显改善 钛合金的组织结构、力学及加工性能［4—7］． TC4合金在耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、 可焊性、耐蚀性和生物相容性方面均达到较好水平 因而占全部用钛量的50％以上［8］；为提高航空效率 和降低成本飞机结构件减重的重要方法是采用比 强度高、综合性能好的 TC4钛合金［9］．本文主要研 究置氢对 TC4粉末颗粒形貌、表面状态、显微组织、 相组成、显微硬度等物理性能和压制性能的影响得 出置氢 TC4粉末的评价体系以利于置氢 TC4钛 合金粉末的固结加工及其置氢改性机理的研究． 第30卷 第8期 2008年 8月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．8 Aug．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．08．019
894 北京科技大学学报 第30卷 同组分相同压力下压制三个平行试样，制成具有不 1实验材料及方法 同相对密度的预成形坯.通过0HAUS一AR1140天 研究对象为氢化一脱氢HDHTC4(氢质量分数 平精密测量置氢钛合金粉末预成形坯的质量、游标 为0%)粉末，以及由TC4钛合金棒材置氢（氢质量 卡尺测量预成形坯的高度，可得出预成形坯的密度； 分数分别为0.09%、0.18%、0.32%、0.42%和 利用40kN压力下压制的预成形坯进行压缩实验， 0.46%)后经车削、机械研磨得到的置氢粉末 测定粉末压坯的抗压强度，以得到置氢TC4钛合金 粉末颗粒形貌、表面状态利用ZEISS SUPRA 粉末的成形性能 55型扫描电镜观察；将置氢TC4粉末采用618环氧 2实验结果与分析 树脂、邻苯二甲酸二酊酯和乙二胺（质量比100：15： 10)的混合料镶嵌，试样打磨抛光后，在MH一6型 2.1置氢TC4粉末特性、颗粒形貌 HV显微硬度计上，保载时间10s,0.49N负荷下测 (1)置氢TC4粉末特性如表1所示，由表1可 定粉末的显微硬度；采用HF、HNO3和HzO(体积比 知：随置氢量的增加，置氢TC4粉末之间粒度相差 1:1:8)混合液进行腐蚀处理，腐蚀时间为10~ 小，无明显的规律性变化，氢化一脱氢TC4(氢质量 20s2],粉末显微组织在ZEISS SUPRA55型扫描 分数为0%)粉末的体积平均径最大，置氢量0.42% 电镜下观察；粉末相分析衍射实验采用DMAX一 TC4粉末的体积平均径最小且明显小于其他粉末； RB12KW旋转阳极X射线衍射仪，衍射仪使用Cu 粉末粒度分布标准差和均匀度相差很小，其中置氢 靶，选用步宽为0.02°，功率为40kV,电流为 量0.42%TC4粉末的粒度分布标准差最大，粒度 150mA,发散狭缝(DS)1mm,防散射狭缝(SS) 分布范围最广，均匀度也最差，而置氢量0.18%和 1mm. 0.46%TC4粉末的粒度分布标准差最小，粒度分布 置氢TC4粉末在CMT-4305微机万能试验机 范围最窄，其均匀度也最好；粉末流动性好，其中置 上模压成形，模具材料采用32Cr2MoV合金钢，模 氢量0.18%TC4粉末的流动性最好；粉末的松装 壁润滑，模具内径12mm,粗糙度良好.将每个样品 密度和振实密度总体呈增大趋势 称重3g,分别取压力为30,40,50,60,70,80kN,相 表1置氢TC4合金粉末特性 Table 1 Powder characteristics of hydrogenated TC4 alloy 置氢 体积平均径， 粒度分布标 质量比表面积， 松装密度， 振实密度， 理论密度， 均匀度，卡尔流动 颗粒纵 量/% D./m 准偏差，。 Sw/(m2g f./(gcm3) f/(gcm P/(g'cm3) 性指，M横比，A。 0 96.3 1.72 1.303 0.83 1.33 4.43 2.24 64.96 1.46 0.09 60.88 2.05 0.827 1.43 2.00 4.43 2.82 61.79 1.28 0.18 76.67 1.46 1.478 1.88 2.54 4.43 1.90 66.88 1.41 0.32 65.18 1.78 1.415 1.59 2.18 4.43 2.32 66.13 1.41 0.42 20.30 3.18 0.920 1.80 2.46 4.43 9.87 61.17 1.45 0.46 76.97 1.47 1.239 1.86 2.50 4.43 1.89 65.68 1.37 (2)置氢TC4粉末颗粒形貌和表面状态如图1 末维氏显微硬度为HV0.05378.6~420.5,置氢量 所示，结合粉末特性表1中粒度分布检测结果，由 0.18%TC4粉末维氏显微硬度为HV0.05351.1~ 图1分析可知：置氢TC4粉末颗粒形貌为不规则 417.6,置氢量0.32%TC4粉末维氏显微硬度为 状，某些颗粒呈近球形：颗粒表面凹凸不平，并附着 HV0.05369.1~404.0,置氢量0.42%TC4粉末维 微小的粉末残渣；颗粒的尺寸分布相对较均匀，随置 氏显微硬度为HV0.0s362.2404.0,置氢量0.46% 氢量的变化不大，其中置氢量0.42%TC4粉末平 TC4粉末维氏显微硬度为HV0.0357.7~417.6;随 均粒径明显小于其他粉末，小尺寸颗粒较多， 置氢量的增加，置氢TC4粉末显微硬度值总体上趋 2.2置氢TC4粉末显微硬度 于降低，其中置氢量0.18%TC4粉末的显微硬度 置氢TC4粉末维氏显微硬度实验结果如图2 值最低且和置氢量0.46%TC4粉末显微硬度值相 所示，从中可知：氢化一脱氢TC4粉末维氏显微硬 近.究其原因可知：氢作为有效的阝相稳定元素，它 度为HV0.5385.9~426.2,置氢量0.09%TC4粉 增加P相的数量，减弱原子间的结合力，提高原子
1 实验材料及方法 研究对象为氢化—脱氢 HDHTC4（氢质量分数 为0％）粉末以及由 TC4钛合金棒材置氢（氢质量 分数 分 别 为 0∙09％、0∙18％、0∙32％、0∙42％ 和 0∙46％）后经车削、机械研磨得到的置氢粉末． 粉末颗粒形貌、表面状态利用 ZEISS SUPRA 55型扫描电镜观察；将置氢 TC4粉末采用618环氧 树脂、邻苯二甲酸二酊酯和乙二胺（质量比100∶15∶ 10）的混合料镶嵌试样打磨抛光后在 MH—6型 HV 显微硬度计上保载时间10s0∙49N 负荷下测 定粉末的显微硬度；采用 HF、HNO3 和 H2O（体积比 1∶1∶8）混合液进行腐蚀处理腐蚀时间为10～ 20s ［2］粉末显微组织在 ZEISS SUPRA 55型扫描 电镜下观察；粉末相分析衍射实验采用 DMAX— RB12KW 旋转阳极 X 射线衍射仪衍射仪使用 Cu 靶选 用 步 宽 为 0∙02°功 率 为 40 kV电 流 为 150mA发散狭缝 （DS ）1mm防散射狭缝 （SS ） 1mm． 置氢 TC4粉末在 CMT—4305微机万能试验机 上模压成形模具材料采用32Cr2MoV 合金钢模 壁润滑模具内径12mm粗糙度良好．将每个样品 称重3g分别取压力为304050607080kN相 同组分相同压力下压制三个平行试样制成具有不 同相对密度的预成形坯．通过 OHAUS—AR1140天 平精密测量置氢钛合金粉末预成形坯的质量、游标 卡尺测量预成形坯的高度可得出预成形坯的密度； 利用40kN 压力下压制的预成形坯进行压缩实验 测定粉末压坯的抗压强度以得到置氢 TC4钛合金 粉末的成形性能． 2 实验结果与分析 2∙1 置氢 TC4粉末特性、颗粒形貌 （1） 置氢 TC4粉末特性如表1所示．由表1可 知：随置氢量的增加置氢 TC4粉末之间粒度相差 小无明显的规律性变化氢化—脱氢 TC4（氢质量 分数为0％）粉末的体积平均径最大置氢量0∙42％ TC4粉末的体积平均径最小且明显小于其他粉末； 粉末粒度分布标准差和均匀度相差很小其中置氢 量0∙42％ TC4粉末的粒度分布标准差最大粒度 分布范围最广均匀度也最差而置氢量0∙18％和 0∙46％ TC4粉末的粒度分布标准差最小粒度分布 范围最窄其均匀度也最好；粉末流动性好其中置 氢量0∙18％ TC4粉末的流动性最好；粉末的松装 密度和振实密度总体呈增大趋势． 表1 置氢 TC4合金粉末特性 Table1 Powder characteristics of hydrogenated TC4alloy 置氢 量／％ 体积平均径 Dv／μm 粒度分布标 准偏差σ 质量比表面积 S W／（m 2·g —1） 松装密度 f a／（g·cm —3） 振实密度 f t／（g·cm —3） 理论密度 ρ／（g·cm —3） 均匀度 Uf 卡尔流动 性指Mi 颗粒纵 横比A r 0 96∙3 1∙72 1∙303 0∙83 1∙33 4∙43 2∙24 64∙96 1∙46 0∙09 60∙88 2∙05 0∙827 1∙43 2∙00 4∙43 2∙82 61∙79 1∙28 0∙18 76∙67 1∙46 1∙478 1∙88 2∙54 4∙43 1∙90 66∙88 1∙41 0∙32 65∙18 1∙78 1∙415 1∙59 2∙18 4∙43 2∙32 66∙13 1∙41 0∙42 20∙30 3∙18 0∙920 1∙80 2∙46 4∙43 9∙87 61∙17 1∙45 0∙46 76∙97 1∙47 1∙239 1∙86 2∙50 4∙43 1∙89 65∙68 1∙37 （2） 置氢 TC4粉末颗粒形貌和表面状态如图1 所示．结合粉末特性表1中粒度分布检测结果由 图1分析可知：置氢 TC4粉末颗粒形貌为不规则 状某些颗粒呈近球形；颗粒表面凹凸不平并附着 微小的粉末残渣；颗粒的尺寸分布相对较均匀随置 氢量的变化不大其中置氢量0∙42％ TC4粉末平 均粒径明显小于其他粉末小尺寸颗粒较多． 2∙2 置氢 TC4粉末显微硬度 置氢 TC4粉末维氏显微硬度实验结果如图2 所示．从中可知：氢化—脱氢 TC4粉末维氏显微硬 度为 HV0∙05385∙9～426∙2置氢量0∙09％ TC4粉 末维氏显微硬度为 HV0∙05378∙6～420∙5置氢量 0∙18％ TC4粉末维氏显微硬度为 HV0∙05351∙1～ 417∙6置氢量0∙32％ TC4粉末维氏显微硬度为 HV0∙05369∙1～404∙0置氢量0∙42％ TC4粉末维 氏显微硬度为 HV0∙05362∙2～404∙0置氢量0∙46％ TC4粉末维氏显微硬度为 HV0∙05357∙7～417∙6；随 置氢量的增加置氢 TC4粉末显微硬度值总体上趋 于降低其中置氢量0∙18％ TC4粉末的显微硬度 值最低且和置氢量0∙46％ TC4粉末显微硬度值相 近．究其原因可知：氢作为有效的 β相稳定元素它 增加β相的数量减弱原子间的结合力提高原子 ·894· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第8期 田亚强等：置氢对TC4合金粉末物理性能和压制性能的影响 .895. 100山m 100m 100m 1004m 1004m 图1置氢TC4合金粉末颗粒形貌.(a)H0%;(b)H0.09%;(c)H0.18%;(d),H0.32%;(e)H0.42%;()H0.46% Fig-1 Morphologies of particles in hydrogenated TC4 alloy powder:(a)H%:(b)H.%:(c)H.18%:(d)H0.32%:(e)H0.42% (f)H0.46% 的扩散能力，进而降低了塑变应力；当置氢量较 中氢化脱氢TC4粉末中的B相主要存在于α相晶 低时，氢以间隙态存在于点阵中，在应力梯度的作用 粒间，并且可以看到呈片状α；在置氢量达到 下会发生再分布，富集于静水压力较大的区域，形成 0.32%时出现少量的α"相，且其中针状组织明显增 气团，产生巨大的压力，并以切变分量附加在外应力 多并粗化，在针状组织的中间还存在一些未转变的 上，使表观屈服应力下降，大大降低了钛合金的韧 白色α相颗粒组织；置氢量0.42%和0.46%时组织 性，产生氢脆性，而且随置氢量的增加，置氢TC4粉 为明显的板条状（δ氢化物），而且未转变的α相较 末中的氢化物增多，粉末的韧性降低，脆性增加，故 少2,8 其显微硬度呈逐渐降低趋势 2.4置氢TC4粉末颗粒相分析 430 图4为置氢TC4粉末颗粒X射线衍射图谱.X 420 射线衍射分析结果表明，置氢TC4粉末组织基本上 410 由α相和B相钛合金组成，其中以α相居多.随着 置氢量的增加，α相逐渐减少，阝相逐渐增多，在置 氢质量分数% 氢量达到0.32%时出现少量的a”相，置氢量 --0 37 -。-0.09 0.42%和0.46%时出现6氢化物2. -▲-0.18 --0.32 2.5置氢TC4粉末压制性能 ◆-0.42 4-0.46 由图5置氢TC4粉末的压坯密度和成形压力 350 56 8910 的关系可知，随着置氢量的增加，置氢TC4粉末的 实验点 压缩性能呈逐渐变好的趋势，其中氢化一脱氢TC4 图2置氢TC4合金粉末维氏显微硬度 粉末和置氢量0.09%、0.32%TC4粉末的压缩性 Fig.2 Vickers microhardness values of hydrogenated TC4 alloy pow- 能相差不大且都较差，置氢量0.18%、0.42%和 der 0.46%TC4粉末的压缩性能较好，且置氢量 2.3置氢TC4粉末颗粒显微组织 0.42%TC4粉末的压缩性能最好，这是因为氢化 置氢TC4粉末颗粒显微组织如图3所示.由图 脱氢TC4粉末和置氢量0.09%、0.32%TC4粉末 3可知，置氢TC4粉末颗粒显微组织呈片状、针状 的显微硬度、松装密度、粉末体积平均径和均匀度相 和板条状，基本为a十B两相组成，其中a相为亮 差都不大，且与其他三种置氢量的TC4粉末相比显 相，暗相为P相，随着置氢量的增加，置氢TC4粉 微硬度较大，塑性也较差，均匀度较好，使得粉末压 末颗粒显微组织中的片状α相及阝相逐渐增多，其 缩性能较差；其中氢化一脱氢TC4粉末体积平均径
图1 置氢 TC4合金粉末颗粒形貌．（a） H0％；（b） H0∙09％；（c） H0∙18％；（d）H0∙32％；（e） H0∙42％；（f） H0∙46％ Fig．1 Morphologies of particles in hydrogenated TC4alloy powder：（a） H0％；（b） H0∙09％；（c） H0∙18％；（d） H0∙32％；（e） H0∙42％； （f） H0∙46％ 的扩散能力进而降低了塑变应力［3］；当置氢量较 低时氢以间隙态存在于点阵中在应力梯度的作用 下会发生再分布富集于静水压力较大的区域形成 气团产生巨大的压力并以切变分量附加在外应力 上使表观屈服应力下降大大降低了钛合金的韧 性产生氢脆性而且随置氢量的增加置氢 TC4粉 末中的氢化物增多粉末的韧性降低脆性增加故 其显微硬度呈逐渐降低趋势． 图2 置氢 TC4合金粉末维氏显微硬度 Fig．2 Vickers microhardness values of hydrogenated TC4alloy powder 2∙3 置氢 TC4粉末颗粒显微组织 置氢 TC4粉末颗粒显微组织如图3所示．由图 3可知置氢 TC4粉末颗粒显微组织呈片状、针状 和板条状基本为 α＋β两相组成其中 α相为亮 相暗相为 β相．随着置氢量的增加置氢 TC4粉 末颗粒显微组织中的片状 α相及β相逐渐增多其 中氢化—脱氢 TC4粉末中的 β相主要存在于α相晶 粒间并 且 可 以 看 到 呈 片 状 α；在 置 氢 量 达 到 0∙32％时出现少量的 α″相且其中针状组织明显增 多并粗化在针状组织的中间还存在一些未转变的 白色α相颗粒组织；置氢量0∙42％和0∙46％时组织 为明显的板条状（δ氢化物）而且未转变的 α相较 少［28］． 2∙4 置氢 TC4粉末颗粒相分析 图4为置氢 TC4粉末颗粒 X 射线衍射图谱．X 射线衍射分析结果表明置氢 TC4粉末组织基本上 由 α相和β相钛合金组成其中以 α相居多．随着 置氢量的增加α相逐渐减少β相逐渐增多在置 氢量 达 到 0∙32％ 时 出 现 少 量 的 α″相置 氢 量 0∙42％和0∙46％时出现 δ氢化物［2］． 2∙5 置氢 TC4粉末压制性能 由图5置氢 TC4粉末的压坯密度和成形压力 的关系可知随着置氢量的增加置氢 TC4粉末的 压缩性能呈逐渐变好的趋势其中氢化—脱氢 TC4 粉末和置氢量0∙09％、0∙32％ TC4粉末的压缩性 能相差不大且都较差置氢量 0∙18％、0∙42％ 和 0∙46％ TC4 粉 末 的 压 缩 性 能 较 好且 置 氢 量 0∙42％ TC4粉末的压缩性能最好．这是因为氢化— 脱氢 TC4粉末和置氢量0∙09％、0∙32％ TC4粉末 的显微硬度、松装密度、粉末体积平均径和均匀度相 差都不大且与其他三种置氢量的 TC4粉末相比显 微硬度较大塑性也较差均匀度较好使得粉末压 缩 性能较差；其中氢化—脱氢TC4粉末体积平均径 第8期 田亚强等： 置氢对 TC4合金粉末物理性能和压制性能的影响 ·895·
,896 北京科技大学学报 第30卷 (a) (b) 10m 10m (d) 4 jm 44m 4 um 图3置氢TC4合金粉末颗粒显微组织.(a)H0%;(b)H0.09%;(c)H0.18%:(d)H0.32%;(c)H0.42%;()H0.46% Fig-3 Microstructures of particles in hydrogenated TC4 alloy powder:(a)H%;(b)H.09%:(c)H.18%:(d)H0.32%:(e)H 0.42%:()H0.46% 氢质量分数▲一a■一B★一C”◆一8 3.4 0.46%久■久大九 33 0.42%失她丸*4 3.2 氢质量分数% 0.32%失里先 丸人 31 -■-0 -●-0.09 ■ 3.0 -4-0.18 0.18%失■失失人 --0.32 2.9 -◆-0.42 ! 4-0.46 0.09%先■失 2.8 央久A 30 40 506070 80 P/KN 0%失 先央 30 40 50 60 70 80 图5TC4粉末压坯密度和成形压力的关系 28/() Fig.5 Relationship between green density and forming pressure of 图4置氢TC4合金粉末X射线衍射图 hydrogenated TC4 alloy powder Fig.4 XRD paterns of hydrogenated TC4 alloy powder 与其他粉末相比对压缩性能的影响不大，粉末的显 95 微硬度最大，松装密度最低，且均匀度较好，故其压 缩性能最差10.置氢量0.18%、0.42%和0.46% 90 TC4粉末的显微硬度较小，松装密度较大，故粉末 85 的压缩性能较好；其中置氢量0.42%TC4粉末的 显微硬度相对较小，塑性较好，其松装密度和体积平 80- 均径与其他粉末相比对压缩性能的影响不大，但其 15 均匀度最差，粉末颗粒尺寸分布最广，故其压缩性 最好 10 0 0.1 020.30.40.5 粉末压坯抗压强度的大小可以衡量粉末的成形 氢质量分数% 性能的优劣10].由图6置氢TC4粉末的置氢量和 图6置氢TC4粉末置氢量与抗压强度的关系 抗压强度oa(Nmm2)的关系可知：随置氢量的增 Fig6 Relationship between hydrogen content and compression 加，置氢TC4粉末的成形性能呈逐渐变差的趋势， strength of hydrogenated TC4 alloy pow der
图3 置氢 TC4合金粉末颗粒显微组织．（a） H0％；（b） H0∙09％；（c） H0∙18％；（d） H0∙32％；（e） H0∙42％；（f） H0∙46％ Fig．3 Microstructures of particles in hydrogenated TC4alloy powder：（a） H 0％；（b） H 0∙09％；（c） H 0∙18％；（d） H 0∙32％；（e） H 0∙42％；（f） H0∙46％ 图4 置氢 TC4合金粉末 X 射线衍射图 Fig．4 XRD paterns of hydrogenated TC4alloy powder 与其他粉末相比对压缩性能的影响不大粉末的显 微硬度最大松装密度最低且均匀度较好故其压 缩性能最差［10］．置氢量0∙18％、0∙42％和0∙46％ TC4粉末的显微硬度较小松装密度较大故粉末 的压缩性能较好；其中置氢量0∙42％ TC4粉末的 显微硬度相对较小塑性较好其松装密度和体积平 均径与其他粉末相比对压缩性能的影响不大但其 均匀度最差粉末颗粒尺寸分布最广故其压缩性 最好． 粉末压坯抗压强度的大小可以衡量粉末的成形 性能的优劣［10］．由图6置氢 TC4粉末的置氢量和 抗压强度 σd（N·mm —2）的关系可知：随置氢量的增 加置氢TC4粉末的成形性能呈逐渐变差的趋势 图5 TC4粉末压坯密度和成形压力的关系 Fig．5 Relationship between green density and forming pressure of hydrogenated TC4alloy powder 图6 置氢 TC4粉末置氢量与抗压强度的关系 Fig．6 Relationship between hydrogen content and compression strength of hydrogenated TC4alloy powder ·896· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第8期 田亚强等：置氢对TC4合金粉末物理性能和压制性能的影响 ·897 氢化脱氢TC4粉末和置氢量0.18%，0.32%和 形性能逐渐变差.综合分析可得置氢量0.46%的 0.42%TC4粉末的成形性能较差，置氢量0.09% TC4粉末的压制性能最好. TC4粉末的成形性能较好，置氢量0.46%TC4粉 末的成形性能介于其他粉末之间，表现适中，粉末 参考文献 颗粒尺寸越小成形性能越好10]，粉末颗粒分布均匀 [1]Hou H L.Li Z Q.Wang Y J.et al.Technology of hydrogen 度越大成形性能越差，由表1可知：氢化脱氢TC4 treatment for titanium alloy and its application prospect.ChinJ Nonferrous Met.2003.13(3):533 粉末和置氢量0.18%、0.32%TC4粉末颗粒尺寸 (侯红亮，李志强，王亚军，等.钛合金热氢处理技术及其应 较大，均匀度较好，故其成形性能较差，置氢量 用前景，中国有色金属学报，2003,13(3)：533) 0.42%粉末颗粒尺寸较小，但其颗粒分布均匀度最 [2]Su Y Q.Luo L S,Bi W S,et al.Influence of hydrogenation on 差，故其成形性能较差；置氢量0.09%TC4粉末颗 room temperature microstructure of Ti6Al4V alloy.Mater Sci Technol,2005,13(1):103 粒尺寸较小，均匀度较好，故其成形性能较好；置氢 (苏彦庆，路良顺，毕维升，等.置氢对T6A4V合金室温组 量0.46%TC4粉末颗粒尺寸及均匀度表现适中， 织的影响.材料科学与工艺，2005,13(1)：103) 故其成形性能介于其他粉末之间. [3]Kerr W R.Smith P R.Hydrogen as an alloying element in titani- 由置氢TC4粉末的压缩性能和成形性能分析 um/Titanium'80 Science and Technology Proceeding of the 结果可知：置氢量0.18%、0.42%TC4粉末的压缩 Fourth International Conference.Warrendale,1980:2477 性能较好，但其成形性能较差；置氢量0.09%TC4 [4]Nakahigashi J,Yoshimura H.Ultra fine grain refinement and tensile properties of titanium alloys obtained through protium 粉末的成形性能较好，但其压缩性能较差：置氢量 treatment.J Alloys Compd.2002.330/332:384 0.46%TC4粉末的压缩性能较好，且其成性能表现 [5]Eliezer D,Eliaz N,Senkov O,et al.Positive effects of hydrogen 为适中，故其压制性能最好 in metals.Mater Sci Eng.2000.280(1):220 [6]Zhang S Q.Zhao L R.Effect of hydrogen on the superplasticity 3结论 and microstructure of Ti-6Al-4V alloy.J Alloys Compd,1995. 218(2):233 (1)置氢TC4粉末形貌为不规则状，某些颗粒 [7]Huang D.Nan H.Wu H.et al.Application of hydrogenation 呈近球形，颗粒表面附着微小的残渣；随置氢量的增 technology on titanium alloy.Heat Treat Met.2004 29(6):44 加，置氢TC4粉末显微硬度值总体上趋于降低，置 (黄东，南海，吴鹤，等.氢处理技术在钛合金中的应用·金属 氢量0,18%和0.46%TC4粉末的显微硬度值相近 热处理，2004,29(6)：44) 且最低， [8]Gong P,Sun D L,LiZ H.et al.Microstructural features of TC4 (2)置氢T℃4粉末颗粒显微组织呈片状、针状 alloy after hydrogenation.I Inner Mongolia Univ Technol, 2006,25(3):190 和板条状，基本由α十B两相组成，随着置氢量的增 (龚沛，孙东立，李中华，等.TC4钛合金渗氢后显微组织特 加，α相逐渐减少，P相逐渐增多；粉末颗粒显微组 征，内蒙古工业大学学报，2006,25(3)：190) 织中的片状α相逐渐增多；在置氢量达到0.32%时 [9]Ding R.Guo Z X.Microstructural evolution of a Ti6Al4V alloy 出现少量的a"相：置氢量0.42%和0.46%时组织 during phase processing:Experimental and simulation investigate. 为明显的板条状（ò氢化物）， Mater Sei Eng,2003,365(2):172 [10]Huang P Y.Powder Metallurgy Principle.Beijing:Metallur- (3)随置氢量的增加，置氢TC4粉末的压缩性 gical Industry Press.2004:133 能逐渐变好，氢化脱氢TC4粉末和置氢量0.09%、 (黄培云·粉末冶金原理.北京：冶金工业出版社，2004： 0.32%TC4粉末的压缩性能相差不大且都较差，置 133) 氢量0.42%TC4粉末的压缩性能最好；粉末的成
氢化—脱氢 TC4粉末和置氢量0∙18％、0∙32％和 0∙42％ TC4粉末的成形性能较差置氢量0∙09％ TC4粉末的成形性能较好置氢量0∙46％ TC4粉 末的成形性能介于其他粉末之间表现适中．粉末 颗粒尺寸越小成形性能越好［10］粉末颗粒分布均匀 度越大成形性能越差．由表1可知：氢化—脱氢 TC4 粉末和置氢量0∙18％、0∙32％ TC4粉末颗粒尺寸 较大均匀度较好故其成形性能较差置氢量 0∙42％粉末颗粒尺寸较小但其颗粒分布均匀度最 差故其成形性能较差；置氢量0∙09％ TC4粉末颗 粒尺寸较小均匀度较好故其成形性能较好；置氢 量0∙46％ TC4粉末颗粒尺寸及均匀度表现适中 故其成形性能介于其他粉末之间． 由置氢 TC4粉末的压缩性能和成形性能分析 结果可知：置氢量0∙18％、0∙42％ TC4粉末的压缩 性能较好但其成形性能较差；置氢量0∙09％ TC4 粉末的成形性能较好但其压缩性能较差；置氢量 0∙46％ TC4粉末的压缩性能较好且其成性能表现 为适中故其压制性能最好． 3 结论 （1） 置氢 TC4粉末形貌为不规则状某些颗粒 呈近球形颗粒表面附着微小的残渣；随置氢量的增 加置氢 TC4粉末显微硬度值总体上趋于降低置 氢量0∙18％和0∙46％ TC4粉末的显微硬度值相近 且最低． （2） 置氢 TC4粉末颗粒显微组织呈片状、针状 和板条状基本由α＋β两相组成．随着置氢量的增 加α相逐渐减少β相逐渐增多；粉末颗粒显微组 织中的片状 α相逐渐增多；在置氢量达到0∙32％时 出现少量的 α″相；置氢量0∙42％和0∙46％时组织 为明显的板条状（δ氢化物）． （3） 随置氢量的增加置氢 TC4粉末的压缩性 能逐渐变好氢化—脱氢 TC4粉末和置氢量0∙09％、 0∙32％ TC4粉末的压缩性能相差不大且都较差置 氢量0∙42％ TC4粉末的压缩性能最好；粉末的成 形性能逐渐变差．综合分析可得置氢量0∙46％的 TC4粉末的压制性能最好． 参 考 文 献 ［1］ Hou H LLi Z QWang Y Jet al．Technology of hydrogen treatment for titanium alloy and its application prospect．Chin J Nonferrous Met200313（3）：533 （侯红亮李志强王亚军等．钛合金热氢处理技术及其应 用前景．中国有色金属学报200313（3）：533） ［2］ Su Y QLuo L SBi W Set al．Influence of hydrogenation on room temperature microstructure of Ti6Al4V alloy． Mater Sci Technol200513（1）：103 （苏彦庆骆良顺毕维升等．置氢对 Ti6Al4V 合金室温组 织的影响．材料科学与工艺200513（1）：103） ［3］ Kerr W RSmith P R．Hydrogen as an alloying element in titanium∥ Titanium ’80 Science and Technology Proceeding of the Fourth International Conference．Warrendale1980：2477 ［4］ Nakahigashi JYoshimura H．Ultra-fine grain refinement and tensile properties of titanium alloys obtained through protium treatment．J Alloys Compd2002330／332：384 ［5］ Eliezer DEliaz NSenkov Oet al．Positive effects of hydrogen in metals．Mater Sci Eng2000280（1）：220 ［6］ Zhang S QZhao L R．Effect of hydrogen on the superplasticity and microstructure of T-i6A-l4V alloy．J Alloys Compd1995 218（2）：233 ［7］ Huang DNan HWu Het al．Application of hydrogenation technology on titanium alloy．Heat T reat Met200429（6）：44 （黄东南海吴鹤等．氢处理技术在钛合金中的应用．金属 热处理200429（6）：44） ［8］ Gong PSun D LLi Z Het al．Microstructural features of TC4 alloy after hydrogenation． J Inner Mongolia Univ Technol 200625（3）：190 （龚沛孙东立李中华等．TC4钛合金渗氢后显微组织特 征．内蒙古工业大学学报200625（3）：190） ［9］ Ding RGuo Z X．Microstructural evolution of a Ti6Al4V alloy during phase processing：Experimental and simulation investigate． Mater Sci Eng2003365（2）：172 ［10］ Huang P Y．Pow der Metallurgy Principle．Beijing：Metallurgical Industry Press2004：133 （黄培云．粉末冶金原理．北京：冶金工业出版社2004： 133） 第8期 田亚强等： 置氢对 TC4合金粉末物理性能和压制性能的影响 ·897·