杨 越¹贾建波¹刘文超¹徐 岩¹陈 晨¹刘鑫刚¹骆俊廷^1，2

1. 燕山大学先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室，秦皇岛，066004

2. 燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，秦皇岛，066004

摘要：以气雾化法获得的Ti-22Al-25Nb（at. %）预合金粉末为初始原料，采用真空热压烧结工艺方法制备组织致密、成分均匀的粉末冶金 Ti-22Al-25Nb 合金。应用有限元软件 MSC.Marc 对 Ti-22Al-25Nb（at. %）预合金粉末的致密化过程进行数值模拟，分析了温度和压力对 Ti-22Al-25Nb粉末致密化过程的影响，揭示了粉末相对密度随温度和压力变化的规律，得到优化的烧结工艺参数，以指导热压实验烧结。通过热压烧结实验制备了组织致密、成分均匀的 Ti-22Al-25Nb合金，发现 1 050 ℃/35 MPa/1 h条件下烧结的合金具有最优的室温和650 ℃高温综合力学性能。

关键词：Ti-22Al-25Nb预合金粉末；真空热压烧结；致密化过程；力学性能

0 引言

自从BANERJEE等^[1]首次在Ti-25Al-12.5Nb（at. %）合金中发现具有正交有序O相的Ti ₂ AlNb金属间化合物以来，作为 600～800 ℃温度范围内优异的轻质高温结构材料，Ti ₂ AlNb合金因其密度低、比强度高、抗氧化和抗蠕变性能优良等优点，成为航空航天发动机制备材料的首选^[2-5] 。Ti-22Al-25Nb（at. %）合金属于第二代Ti ₂ AlNb基合金，它不仅在室温和高温下表现出优良的力学性能，而且具有密度低、熔点高、比强度高、抗氧化和抗蠕变能力高等特点，得到了国内外众多学者的关注。尽管Ti ₂ AlNb基合金具备以上诸多优点，但它在应用过程中仍有一些关键问题需要解决。Ti ₂ AlNb基合金铸件存在显微组织缺陷，表现出较差的力学性能，效率低且成本高^[5-7]。此外，Ti、Al、Nb元素的熔点、密度、扩散系数差异大，易发生元素偏析和元素烧损。作为一种近净成形技术，粉末冶金法既能够获得晶粒细小、组织均匀且无宏观偏析的合金，又能够提高材料的综合性能。真空热压烧结工艺^[8-9]是一种常用的粉末冶金法，通过对模具中的粉末进行加热加压，使粉末产生塑性流动从而完成烧结致密，具有加热速度快、致密度高、组织均匀等特点^[10-11]。目前，许多学者已经通过真空热压反应烧结，成功制备了Ti ₂ AlNb 基合金^[12-13]。WANG等^[12]以 Ti、Al、Nb 元素粉末为原料，采用热压反应烧结工艺，成功制备了Ti-22Al-25Nb合金。WANG等^[13]采用热压反应烧结工艺对 Ti、Al、Nb元素粉进行反应烧结，并分别对O相的产生与反应烧结机制进行了分析。但在热压烧结工艺制备Ti ₂ AlNb基合金的研究中，关于温度和压力对粉末相对密度影响的研究较少，关于热压烧结制备Ti-22Al-25Nb合金和相关的数值模拟也十分少见。在粉末冶金Ti-22Al-25Nb合金的热压烧结工艺过程中，温度和压力对粉末的致密化过程具有重要的影响，其优化参数的确定需要进行多次反复实验，费时费力；而有限元分析方法能大大简化热压烧结参数制定和优化过程，有效节省了时间，降低了成本。基于此，本文通过真空热压烧结工艺方法制备组织致密、成分均匀的 Ti-22Al-25Nb 合金，运用 MSC.MARC 有限元软件，在 950~1 100 ℃温度范围、20~35 MPa 压力条件下进行数值模拟，得出粉末相对密度随温度和压力的影响规律，并对其烧结参数进行优化，分析烧结合金的温度场和相对密度分布规律。结合烧结实验，研究压力和温度对烧结合金的相对密度、相组成和显微组织演变的影响。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

实验材料为 Ti-22Al-25Nb（at. %）的预合金粉末，该粉末通过气雾化法制得。采用 SEM对预合金粉末进行观察，其形貌见图 1。由图 1a 可知，Ti-22Al-25Nb 预合金粉末为粒度尺寸大小不一的球形颗粒，粉末中也存在极少数的椭圆形或扁平状粉末和光滑球状粉末。由图1b可知，粉末颗粒表面出现枝晶形貌，该枝晶结构受到单个粉末颗粒冷却速率和粉末颗粒直径的影响^[14-16]，且在预合金粉末表面还存在缩孔缺陷。经线截法统计，Ti-22Al-25Nb（at. %）的预合金粉末平均粉末粒度为84 μm。

Ti-22Al-25Nb（at. %）预合金粉末的XRD谱图见图2。由图2观察得，预合金粉末只含B2基体相，未见α₂（Ti ₃ Al）和O（Ti ₂ AlNb）相。其原因在于，气雾化制粉过程中，粉末熔融液滴冷却速率特别高，从而仅保留高温条件下的B2相。

1.2 实验方法

烧结实验在ZRY55型热压烧结炉中进行，真空度为10 ^-3 Pa，烧结温度分别为950℃、1 050℃和1 100℃，烧结压力为35 MPa，保温时间为1 h，烧结模具为高强石墨模具。烧结合金密度采用阿基米德排水法^[17-18]进行测量。采用X射线衍射（X-ray diffractometer，XRD）进行相分析，工作参数如下：电压40 kV，电流40 mA，靶材为Cu靶，衍射范围为20°~100°，步长为0.02°。采用线切割切取烧结坯料试样，经砂纸多道次打磨、抛光后，采用体积分数 5%的氢氟酸、15%的硝酸和 60%的蒸馏水对样品进行腐蚀。通过 S4700 型扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）观察粉体形貌及烧结合金的显微组织。室温和650 ℃高温拉伸 实 验 均 在 空 气 中 进 行 ，实 验 设 备 为 Instron

5500R型电子万能实验机，拉伸速率为0.2 mm/min，拉伸试样尺寸为1 mm× 3mm×13 mm。

2 真空热压烧结工艺热力耦合分析

2.1 有限元模拟

采用Marc软件对Ti-22Al-25Nb预合金粉末的真空热压烧结工艺进行模拟，所建有限元模型为二维平面轴对称模型。真空热压烧结有限元模型如图3所示。烧结材料的半径为25 mm。采用8节点28号平面单元自由网格划分，选用powder粉末模块，Shima 屈服准则。实验模具采用抗压强度σ= 70 MPa的高强石墨，该模具包括上压头、下压头和套筒。

根据烧结理论^[19]，烧结温度一般为基体组元熔点的0.7～0.8倍。由于在热压烧结中有外部施加的单轴力，故其烧结温度比普通烧结温度低。Ti-22Al-25Nb 预合金粉末的基体组元为Ti，其熔点为1668℃。因此，本文中选取烧结温度范围为950~1 100℃，涵盖B2相区、α₂ +B2 相区及α₂ +B2/β+O相区3个相区^[20]。在900℃以下采用15℃/min的升温速率，达到900℃后再以10 ℃/min的升温速率达到预定的烧结温度，然后烧结1 h。添加压力载荷曲线，在未达到烧结温度前，压力载荷为0。制定1050℃/35 MPa/1 h烧结工艺路线图（图 4），其他温度和压力下的烧结工艺路线可参考图4设定。设置粉末的初始相对密度为0.7，初始温度为300 K，并添加到粉末的节点上。添加压力载荷曲线，导入Marc中进行计算。

2.2 结果分析

2.2.1 温度对粉末冶金Ti-22Al-25Nb合金相对密

度的影响

热压烧结合金的致密化是由原子的扩散运动引起的，其快慢受到原子扩散系数的影响，而原子的扩散系数与烧结温度密切相关，因此，首先采用控制变量法，在烧结压力为35 MPa、烧结时间为1 h、不同烧结温度条件下获得烧结合金的相对密度的云图（图 5）。由图5a可以发现，合金相对密度整体呈表面高、心部低的趋势。沿轴向靠近压头的位置相对密度高于烧结坯料的中心相对密度，最大的相对密度发生在模具内壁与压头接触区域，其值为98.221%。沿径向烧结合金的两端相对密度分布高于合金中心部位，相对密度最大区域为坯料与模具接触区域，其值为98.228%；相对密度最小区域接近坯料中心部位，其值为98.227%；由图5b～图5c可以发现，随着烧结温度的升高，相对密度的分布规律和图5a相似，但最大相对密度分别增至99.46%和99.64%。烧结合金的各个区域的相对密度分布比较均匀，数值差别很小。这主要是由于保压时间比较长，原子扩散足够充分。

为了研究温度和压力因素对烧结合金的相对密度的影响规律，选取烧结坯料中心部位与上压头接触点（节点977）作为研究对象。图6为烧结压力为 35 MPa 时节点977轴向位移与相对密度的变化曲线，温度升高，轴向位移增大，粉末颗粒之间结合更紧密，原子扩散更充分，相对密度随之提高。在950℃/35 MPa/1 h 条件下，最大轴向位移S _max = 4.3 mm，最大相对密度ρ_max = 98.23%；1050℃/35 MPa/1 h条件下 ，S _max = 4.4 mm，ρ_max = 99.46%；1100 ℃/35 MPa/1 h条件下， S _max =4.5 mm，ρ_max = 99.64%。图7为烧结压力为35MPa时节点977在不同温度下相对密度的变化曲线。由图7可知，随着烧结时间的推移，相对密度随之增大，且相对密度的增大速率逐渐减小。随着温度的升高，粉末的相对密度也随之增大。当烧结温度为950℃时，烧结合金的相对密度为98.23%；烧结温度升至1 050℃时，烧结合金的相对密度为99.46%，提高了1.23%；当温度为1100 ℃时，烧结合金的相对密度为99.64%，仅提高0.18%，可以看出，随着烧结温度的继续升高，烧结合金的相对密度呈增大趋势；但当烧结温度为1050 ℃时，烧结合金的相对密度的变化很小，说明1050 ℃与1100 ℃烧结体相对密度接近致密状态。

2.2.2 压力对粉末冶金Ti-22Al-25Nb合金相对密度的影响

除温度对烧结合金的相对密度有显著影响外，施加压力可促进粉末颗粒之间的流动，发生塑性变形，增大粉末颗粒之间的结合力，进而提升烧结合金的相对密度。分析烧结温度1050℃、烧结时间1h、不同烧结压力条件下对烧结合金的相对密度的影响，相对密度分布云图见图8。由图8a可以发现，沿轴向来看，高的相对密度区域主要集中在压头附近，其最大值为96.02 %；中心部位相对密度最小，为95.97 %。沿径向来看，最大相对密度出现在模具内壁边缘处，其值为96.01 %。由图8可知，烧结压力从20 MPa 增至35 MPa，随着烧结压力的增大，烧结坯料的相对密度也随之增大，烧结坯料逐渐接近致密状态，相对密度值分别为96.02 %、97.33 %、98.09 %、99.46 %。图9为不同烧结压力下的节点977的相对密度随轴向位移的变化曲线。由图9可以明显发现，烧结温度不变，增大烧结压力，烧结合金相对密度呈递增趋势。在1050℃/35 MPa/1 h条件下，粉末的相对密度最大，达到99.46 %，接近致密。图10为烧结温度为1050℃时节点 977 在不同烧结压力下的相对密度变化曲线。由图10可知，随着烧结时间的推移，烧结坯料的相对密度前期增长迅速，后期缓慢增加。此外，随着烧结压力的增大，烧结合金的相对密度增加速率加快。

2.2.3 温度场分布

图11为1050℃/35 MPa/1 h烧结条件下温度场分布云图。由图11a可知，温度最高区域位于套筒和压头外端边缘。温度最高值为1312 K，最低温度区域位于烧结合金内部，其值为1295 K，差值仅为7 K，表明温度分布均匀。套筒和上下压头温度高于粉末的温度，这是由于炉腔由外向内进行热辐射传递。如图11b所示，烧结合金的温度场沿径向呈心部温度略低、边缘温度略高的趋势，其温度分布范围为1295~1300 K，最高温度值1300 K位于烧结合金的边缘处，最低温度

1295K位于其心部，径向温差仅为5K，表明烧结合金内部的温度分布均匀。

3 实验验证

为了验证烧结模拟结果的准确性，分别在950℃/35 MPa/1 h、1 050℃/35 MPa/1 h、1100 ℃/35 MPa/1 h条件下进行热压烧结实验。采用阿基米德排水法测得烧结合金密度并与模拟结果进行对比，结果见图12。由图12可知，随着烧结温度的提高，烧结合金相对密度也随之增大。在950℃/1 h/35 MPa、1 050℃/1 h/35 MPa、1100℃/1 h/35MPa条件下，实际测得的相对密度分别为99.4%、99.7%、99.8%。与模拟相对密度数据相对比，分别相差1.2%、0.2%、0.2%。对不同温度烧结合金进行物相分析，其XRD图谱见图13。由图13可知，烧结合金均全由O相和B2相组成，同时也存在很少的α₂相。此外，由图13可以发现，950 ℃烧结合金衍射峰峰值相对1050℃烧结合金和1100 ℃烧结合金衍射峰峰值较小，说明烧结温度低，晶粒细小。

图14为不同烧结温度下获得烧结合金的SEM图片。由图14a可观察到，950 ℃烧结合金其晶粒由粗大的等轴晶B2相基体、晶内的针状板条O相以及沿晶界分布的黑色α₂相构成。由图14b、图14c可知，随着烧结温度升高，与950 ℃烧结合金相比，1050 ℃烧结合金与1100 ℃烧结合金的晶粒尺寸明显长大，B2相晶粒尺寸变得更加粗大。在1050 ℃烧结合金与1100 ℃烧结合金的晶粒内部也都有大量的O相析出，通过图13烧结合金的XRD 图谱也可以明显观察到。对烧结坯料进行室温和650 ℃拉伸试验，数值统计结果见图15。由图15可知，室温下950 ℃/35 MPa/1 h烧结合金的屈服强度最大，其值为799.58 MPa，延伸率为3.95 %。随着烧结温度的提高，烧结合金的屈服强度和延伸率均有不同程度的降低。其中，1050 ℃/35M Pa/1 h 烧结合金的屈服强度和延伸率分别为649.31 MPa、3.91 %。当拉伸温度增至650℃后，烧结合金的塑性得到改善。其中，1050 ℃烧结合金展现出最佳的延伸率，其值为7.97 %。综合室温和650 ℃拉伸试验结果，确定1050 ℃/35 MPa/1 h条件下烧结的合金具有最优的综合力学性能。

4 结论

（1）烧结合金的相对密度最大值位于压头附近，心部的相对密度最小。当压力一定时，随着烧结温度的升高，相对密度逐渐增大，1050 ℃与1100 ℃时烧结合金的相对密度接近致密，分别为99.46 %和 99.64 %。当烧结温度一定时，烧结合金的相对密度随着烧结压力的增大而增大，烧结压力为35 MPa时相对密度达到最大，相对密度为99.5 %。

（2）1 050 ℃/35 MPa/1 h 条件下，模具与压头外边缘处温度最高，心部温度最低，温度值由外向内逐渐降低，温差为7 K，温度分布均匀。

（3）1 050 ℃/35 MPa/1 h烧结合金具有更优的综合力学性能，室温下，其屈服强度和延伸率分别为649.31 MPa、3.91%；650 ℃时，1050 ℃烧结材料的屈服强度和延伸率分别为424.92 MPa、7.97%。