王哲磊，任學(xué)平，侯紅亮，王耀奇，逯 偉

(1.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083;2.北京航空制造工程研究所，北京 100024;3.山東大學(xué)機(jī)電與信息工程學(xué)院，山東 威海 264209)

泡沫鈦是一種以鈦及其合金為基體并在其內(nèi)部分布著孔洞的材料，其不僅具有鈦及其合金的比強(qiáng)度高、比剛度高以及耐腐蝕的特點(diǎn)，而且具有吸能、隔音降噪、低熱導(dǎo)率和磁導(dǎo)率等多孔材料的特性，在航空、航天、化工、醫(yī)療器械等方面具有廣泛的應(yīng)用前景［1－3］.

目前，泡沫鈦制備方法主要有添加造孔劑法［4］、空心球燒結(jié)法［5］、氣體捕捉法［6－7］等，其中，氣體捕捉法制備的泡沫鈦三明治結(jié)構(gòu)在飛機(jī)艙門、機(jī)翼以及加強(qiáng)筋蒙皮方面具有潛在的應(yīng)用前景，且波音公司已經(jīng)采用該方法制備出可以應(yīng)用的泡沫鈦三明治結(jié)構(gòu)面板［1］.氣體捕捉法作為一種重要的固態(tài)發(fā)泡制備泡沫鈦方法，國(guó)外學(xué)者對(duì)此已開展相關(guān)研究，主要是圍繞利用熱循環(huán)［8－10］和氫化脫氫［11－12］誘導(dǎo)基體材料相變超塑性提高孔隙率方面展開的，但由于熱循環(huán)和氫化脫氫工藝本身對(duì)設(shè)備要求較高，使其在工業(yè)應(yīng)用方面存在局限性;在等溫發(fā)泡方面也有一定研究，但主要是作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)，尚不夠系統(tǒng)，尤其是在孔洞形態(tài)控制方面.盡管通過(guò)等溫發(fā)泡制備的泡沫鈦孔隙率相對(duì)較低，但其孔洞形態(tài)規(guī)整，發(fā)泡設(shè)備簡(jiǎn)單，具有進(jìn)一步推廣的前景.而國(guó)內(nèi)針對(duì)氣體捕捉法的泡沫鈦制備研究尚未見相關(guān)報(bào)道.

本文將針對(duì)氣體捕捉法的等溫發(fā)泡過(guò)程開展研究，對(duì)等溫發(fā)泡過(guò)程中孔洞狀態(tài)隨發(fā)泡溫度及發(fā)泡時(shí)間變化進(jìn)行觀察及分析，闡明等溫發(fā)泡過(guò)程孔隙率和孔洞狀態(tài)的變化規(guī)律及機(jī)制，以期為氣體捕捉法等溫發(fā)泡制備泡沫鈦的推廣提供實(shí)驗(yàn)依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用中國(guó)科學(xué)院金屬研究所生產(chǎn)的100－200目球形 Ti－6Al－4V 粉(化學(xué)成分如表1所示)為原材料，粒徑主要分布范圍為75～150 μm，微觀形貌及組織如圖1所示;包套材料為商用 Q235鋼(包套外形尺寸為100 mm×200 mm×30 mm，壁后為3 mm).

實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要是由包套封裝、包套致密化、預(yù)制坯等溫發(fā)泡3個(gè)階段組成，如圖2所示.具體工藝如下:首先，將Ti－6Al－4V粉裝入留有通氣管的鋼包套內(nèi)，抽真空(真空度10－1Pa)后沖入0.4 MPa高純氬氣(純度為99.999%)，再將通氣管焊死，完成包套的封裝.然后，將包套置于MINI Hip－H1Q9型熱等靜壓設(shè)備中，在980℃/100 MPa/4 h條件下進(jìn)行包套致密化實(shí)驗(yàn);去掉鋼包套后用線切割將其切成10 mm×11 mm×15 mm的Ti－6Al－4V 坯料，封入內(nèi)徑為20 mm石英管內(nèi)(真空度為10－3Pa).最后，將封有預(yù)制坯的石英管放入ZDXS5－1.5箱式爐中進(jìn)行等溫發(fā)泡實(shí)驗(yàn)，工藝參數(shù)如表2所示，當(dāng)達(dá)到保溫時(shí)間后，將其直接取出并立刻放入水中打破，將坯料高溫組織特征保留到室溫.為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有代表性，每個(gè)條件下選取5個(gè)試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

表1 粉末化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

圖1 Ti-6Al-4V粉微觀形貌(a)及組織狀態(tài)(b)

圖2 泡沫Ti-6Al-4V制備工藝流程

依據(jù)阿基米德原理，通過(guò)SARTORIUSAG-ME235S電子天平計(jì)算坯料的密度(ρ);根據(jù)公式(1－ρ/ρs)×100%計(jì)算坯料孔隙率并求其平均值，其中致密的Ti－6Al－4V 合金密度(ρs)為4.45 g/cm3.運(yùn)用OLYMPUS-BX41M 金相顯微鏡和LEO－1450掃描電子顯微鏡分別對(duì)制備的坯料組織和孔洞狀態(tài)進(jìn)行觀察，侵蝕劑為Kroll試劑.運(yùn)用圖像處理軟件Image-Pro-Plus分析掃描電子顯微鏡照片，得到泡沫Ti－6Al－4V的孔徑(選取孔壁與視角平面接近90°的孔洞進(jìn)行測(cè)量，對(duì)較大的20個(gè)孔洞求平均值).

表2 等溫發(fā)泡工藝參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)泡溫度對(duì)預(yù)制坯發(fā)泡行為影響

預(yù)制坯等溫發(fā)泡后孔隙率和孔徑隨發(fā)泡溫度變化曲線如圖3所示，其發(fā)泡時(shí)間均為50 h.從圖3可以看出:孔隙率和孔徑隨發(fā)泡溫度變化規(guī)律相似，均是隨著發(fā)泡溫度的升高逐漸增加，當(dāng)溫度達(dá)到950℃時(shí)孔隙率達(dá)到最大的34.8%，孔徑值達(dá)到最大的158μm;但繼續(xù)升高發(fā)泡溫度，孔隙率和孔徑均下降.

對(duì)不同條件下得到的泡沫Ti－6Al－4V孔洞狀態(tài)進(jìn)行觀察，如圖4所示，其右上角為局部孔洞放大圖.從圖4可以看出，相同預(yù)制坯在不同溫度下等溫發(fā)泡后孔洞數(shù)量并沒(méi)有明顯變化，但相對(duì)于原始坯料卻有明顯增加，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)掃描電子顯微鏡觀察到的未發(fā)泡預(yù)制坯內(nèi)孔洞只是少數(shù)，很多微米以下的孔洞并未被觀察到;發(fā)泡溫度主要是以提高坯料內(nèi)大孔孔徑的方式增加孔隙率，但過(guò)高的溫度并不利于預(yù)制坯內(nèi)孔洞的長(zhǎng)大.根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT(p為理想氣體的壓強(qiáng)，Pa;V為理想氣體的體積，m3;n為氣體物質(zhì)的量，mol;T為熱力學(xué)溫度，K;R為理想氣體常數(shù)，R=8.314 J/(mol·K))可知，預(yù)制坯孔洞內(nèi)氬氣壓力隨發(fā)泡溫度升高而升高，同時(shí)基體材料的高溫流變應(yīng)力隨溫度升高而降低，因此，預(yù)制坯內(nèi)孔徑隨發(fā)泡溫度升高而增大.

圖3 孔隙率和孔徑隨發(fā)泡溫度變化曲線

圖4 不同條件下泡沫Ti-6Al-4V孔洞形態(tài)

對(duì)不同發(fā)泡溫度發(fā)泡后坯料室溫組織進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5所示.由圖5可以看到:當(dāng)發(fā)泡溫度在950℃時(shí)，室溫下，坯料主要由原生α相和次生α相組成.α相尺寸主要為20 μm左右，與基體材料原始α相相比均有一定的長(zhǎng)大，說(shuō)明在950℃及以下時(shí)基體組織主要發(fā)生的是α相向β相轉(zhuǎn)變過(guò)程，雖然也伴隨著相鄰相的融合長(zhǎng)大，但由于原始α相對(duì)β相起到相互隔離作用，并沒(méi)有發(fā)生較大β相融合長(zhǎng)大;當(dāng)溫度達(dá)到980℃時(shí)，次生α相尺寸大于50 μm，說(shuō)明高溫狀態(tài)下部分相鄰的β相發(fā)生了融合長(zhǎng)大;而溫度達(dá)到1 010℃時(shí)，此時(shí)已經(jīng)超過(guò)α+β→β的相轉(zhuǎn)變溫度，高溫狀態(tài)下材料已經(jīng)完全是粗大的β相，因此，得到的室溫基體組織為細(xì)片層β轉(zhuǎn)變組織.由此可知，雖然發(fā)泡溫度越高，坯料基體孔洞內(nèi)氬氣壓力越大，孔壁流變應(yīng)力越小，但由于孔洞的長(zhǎng)大主要是孔壁在多向應(yīng)力作用下發(fā)生蠕變變形的結(jié)果，過(guò)高的發(fā)泡溫度會(huì)造成基體內(nèi)大量大尺寸β相生成，使其蠕變變形能力較差［13］.它直接導(dǎo)致相鄰孔洞在還沒(méi)有充分長(zhǎng)大的情況下就形成與其外表面相互連通的孔洞網(wǎng)絡(luò)，而這種孔洞連通現(xiàn)象通常是造成預(yù)制坯內(nèi)捕捉到的氬氣外溢的直接原因，最終使預(yù)制坯內(nèi)部孔洞因失去發(fā)泡動(dòng)力而停止長(zhǎng)大.在發(fā)泡溫度高于950℃的坯料內(nèi)均能見到相互連通的小孔洞，如圖4中箭頭A所示，且溫度越高，這種連通現(xiàn)象越明顯.

坯料高溫狀態(tài)下組織也決定了孔洞形態(tài).對(duì)圖4中孔洞形態(tài)局部放大對(duì)比可以看出:發(fā)泡溫度在950℃及以下時(shí)，坯料內(nèi)孔洞基本都接近球形，孔壁成凹凸不平狀.由于高溫下基體雖然發(fā)生了α+β→β相轉(zhuǎn)變，但β相尺寸由于原生α相隔離作用并沒(méi)有長(zhǎng)得過(guò)大，限制了預(yù)制坯基體晶粒的長(zhǎng)大.孔洞長(zhǎng)大主要是孔壁在多向應(yīng)力作用下發(fā)生冪律蠕變和擴(kuò)散蠕變的結(jié)果，此時(shí)晶界滑動(dòng)是蠕變的主要協(xié)調(diào)機(jī)制［14］，直接表現(xiàn)在孔洞內(nèi)壁成凹凸不平狀;由于這些凹凸尺寸相對(duì)于孔徑較小，并未對(duì)孔洞整體形狀產(chǎn)生影響，孔洞接近標(biāo)準(zhǔn)的球形.當(dāng)溫度高于950℃后，由于機(jī)體內(nèi)β相通過(guò)融合而長(zhǎng)大，β相尺寸已經(jīng)達(dá)到50 μm以上，必然導(dǎo)致基體晶粒也快速長(zhǎng)大，此時(shí)晶界滑移已十分困難，蠕變主要的協(xié)調(diào)機(jī)制是晶內(nèi)滑移系的滑移，沿著β相內(nèi)平面能較低的{1 0 0}晶面進(jìn)行滑移［15］，在圖4(e)的孔洞高倍照片中可以看到，此時(shí)的孔壁已經(jīng)是大量的滑移面組成(圖4(e)中箭頭B所示);進(jìn)一步升高蠕變溫度到1 010℃，由于超過(guò)了α+β→β相轉(zhuǎn)變溫度，β相迅速長(zhǎng)大到100 μm以上，基本不存在晶界滑移現(xiàn)象，孔壁均由滑移面組合而成.由于孔壁的滑移面尺寸均在50 μm以上，其對(duì)孔洞的形狀產(chǎn)生直接影響，導(dǎo)致孔形成邊多形狀.

圖5 不同條件下泡沫Ti-6Al-4V基體組織

2.2 發(fā)泡時(shí)間對(duì)預(yù)制坯發(fā)泡行為影響

對(duì)坯料在950℃下發(fā)泡后孔隙率和孔徑隨發(fā)泡時(shí)間變化情況進(jìn)行了研究，如圖6所示.分析表明:孔隙率和孔徑隨發(fā)泡時(shí)間變化規(guī)律基本一致.當(dāng)發(fā)泡時(shí)間小于10 h時(shí)，孔隙率和孔徑均隨發(fā)泡時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增加，但它們的增加速率都逐漸減小.當(dāng)發(fā)泡時(shí)間大于10 h后，孔隙率和孔徑的增加均較緩慢.其中當(dāng)發(fā)泡時(shí)間為10 h時(shí)，孔隙率達(dá)到34.2%，孔徑達(dá)到156 μm;繼續(xù)增加發(fā)泡時(shí)間到50 h，坯料孔隙率和孔徑并沒(méi)有明顯的增加.

圖6 孔隙率和孔徑隨發(fā)泡時(shí)間變化曲線

對(duì)950℃下不同時(shí)間發(fā)泡后坯料孔洞進(jìn)行觀察，如圖7所示.從圖7可以看出:蠕變發(fā)泡1 h時(shí)，基體內(nèi)孔洞分布相對(duì)分散，多為相鄰孔洞相互連通后形成的不規(guī)則形狀孔洞(如圖7中箭頭所示)，球形孔洞較少.隨著時(shí)間的增加，孔洞逐漸長(zhǎng)大的同時(shí)，基體內(nèi)相對(duì)規(guī)則的球形孔洞數(shù)量逐漸增加，但仍有大量相互連通的孔洞，且這些相互連通孔洞的孔徑也成增加的趨勢(shì).當(dāng)發(fā)泡時(shí)間為6 h時(shí)，基體內(nèi)開始出現(xiàn)較多規(guī)則的球形孔洞.繼續(xù)增加發(fā)泡時(shí)間達(dá)到10 h，規(guī)則的球形孔洞的孔徑進(jìn)一步增大，其中較大的孔徑已經(jīng)達(dá)到170 μm，繼續(xù)延長(zhǎng)發(fā)泡時(shí)間，孔洞形態(tài)及孔徑均未有明顯變化.由此可知，增加發(fā)泡時(shí)間的作用主要表現(xiàn)在以促進(jìn)孔洞長(zhǎng)大的方式提高坯料孔隙率，球形孔洞數(shù)量隨著發(fā)泡時(shí)間的增加逐漸增多，但過(guò)長(zhǎng)的發(fā)泡時(shí)間并不會(huì)引起坯料孔洞及孔隙率發(fā)生進(jìn)一步變化.

圖7 950℃不同時(shí)間發(fā)泡后泡沫Ti-6Al-4V孔洞形態(tài)

3 結(jié)論

1)泡沫Ti－6Al－4V孔隙率及孔徑均隨等溫發(fā)泡溫度升高而增加.但當(dāng)發(fā)泡溫度大于950℃時(shí)，由于基體生成大尺寸β相，導(dǎo)致相鄰孔洞在還沒(méi)有充分長(zhǎng)大的情況下就形成與其外表面相互連通的孔洞網(wǎng)絡(luò)，反而使坯料發(fā)泡后孔隙率和孔徑均減小，且孔洞形態(tài)由球形變成多邊形.

2)增加等溫發(fā)泡時(shí)間的作用主要表現(xiàn)在以促進(jìn)孔洞長(zhǎng)大的方式提高坯料孔隙率，同時(shí)規(guī)則的球形孔洞數(shù)量隨著發(fā)泡時(shí)間的增加逐漸增多，但過(guò)長(zhǎng)的發(fā)泡時(shí)間并不會(huì)引起坯料孔洞及孔隙率進(jìn)一步的變化.

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