W 的颗粒度对 Ti20W 合金组织和力学性能的影响1

精品论文W 的颗粒度对 Ti-20W 合金组织和力学性能的影响1杨怡，王庆相，高维娜，范志康 西安理工大学材料工程学院，西安（710048） E-mail: yangyi186摘要：以 TiH2 粉和不同粒径的 W 粉为原料，通过固相烧结法制备了 Ti-20W 合金，利用金相显微镜(OM)和能谱分析仪(EDS)对合金的微观组织及成分进行分析，并测量了其显微硬度和抗压强度。结果表明：选用细 W 粉时，W 颗粒与 Ti 固溶量大，显微硬度值分布均匀且 抗压强度高，而采用粗 W 粉时，W 颗粒与 Ti 固溶量较少，其抗压强度较差。关键词：Ti-20W 合金；固溶体；组织；抗压强度 中图分类号：TB 441. 引言钛因具有与骨相近似的弹性模量、低密度、良好的生物相容性及在生物环境下优良的抗 腐蚀性等在医用材料、生物传感器等方面应用前景良好1-4，但由于纯钛的耐磨损性能和强 度相对较弱，使之不能满足高强度和对耐磨损性能要求较高的条件下使用，如骨替代材料5。 已有研究表明，通过向钛基体添加 W 颗粒所形成的 Ti-W 复合材料能够使材料的强度和硬度 得到明显的提高，而延展性损失很小；并且无磁性的 W 固溶于 Ti 能够降低 Ti 的弹性模量， 有利于减轻由于植入体与基体组织的不同而产生的应力6，而上述研究中关于固溶强化和颗 粒强化对 Ti-W 材料的组织和性能影响的报道较少。本课题利用 TiH2 粉末和不同粒径的 W 粉（纳米；6-8m，35m），采用固相烧结的方 法制备了一系列的 Ti-20W 合金，研究了不同粒径的 W 粉在合金的扩散固溶及合金的微观组织和力学性能；并在同一粒径（35m）W 粉下，对比了 Ti 粉和 TiH2 粉对 Ti-20W 合金微观 组织和力学性能的影响，讨论了 Ti-W 复合材料中固溶强化和颗粒强化对材料性能的影响机 理。2. 实验材料和方法配制 4 钟粒径和不同 Ti 的加入方法的 Ti-20W 合金，见表 1：表 1 合金 1、2、3.和 4 的配制方法W 粉平均粒径Ti 加入方法(平均粒径 46m)- 5 -合金 1 合金 2 合金 3 合金 4100nm6-8m30-35m30-35mTiH2TiH2TiH2Ti称取一定量的 W 粉 TiH2(Ti)粉均匀混合后，轴压成型，压制压力为 20t，致密度为 80%；将压好的压坯置于真空烧结炉内，真空度为 110-2Pa，烧结温度 1450，保温 2-3h。 用光学显微镜观察试样的微观形貌；利用 wilson-tukon 2100 硬度实验机测试合金的显微硬度，载荷为 50g；利用能谱仪（EDS）来测量成分含量及分布；利用 HT2402 电脑控制材 料试验机测量合金的抗压强度，式样尺寸为 410mm。1本课题得到高等学校博士点基金（20050700002）的资助。3. 结果与分析3.1 微观结构和成分图 1(a)-(d)分别为合金 1、2、3 和 4 的金相组织照片，从图中可以看出合金 2、3 和 4 均 由 3 种组织组成：白色颗粒、颗粒周围深色过渡区和层片状的魏氏体结构。根据能谱分析可 知合金 2、3 和 4 中的白色颗粒为未扩散固溶的 W 颗粒，深色过渡区域是 W 含量较高的 -W/Ti 固溶体，基体为纯 Ti 组织，合金 1 由于采用的是纳米钨粉，未发现 W 颗粒存在。由 W-Ti 二元相图7可知，740时存在共析反应分解生成富 Ti 相和富 W 相固溶体，且不存在任何的 中间相金属间化合物，882.5时存在 的晶体转变 8；此时，W 和 Ti 均为体心立方结 构，根据 Hume-Rothery 经验9规则可知，两者形成连续(无限)固溶体。烧结温度达 1450， 促进了 Ti 和 W 之间的互溶，形成了颗粒周围深色过渡区，即 相固溶体，且 W 颗粒越小， 互溶的效果越好，纳米 W 粉本身具有很高的活性，更易与 Ti 互溶，因此在合金 1 中未发现 有未固溶的 W 颗粒，合金 2 中存在少量大小在 6-8m 左右且均匀分布的未固溶的 W 颗粒， 深色过渡区边缘离颗粒中心的距离为 50-100m，而合金 3 和 4 中的 W 颗粒固溶效果较差， 基本上保持了原来的尺寸。未发生互溶的纯 Ti 区域，当温度降低至 转变温度以下， 相 在层状 相晶界上成核析出，并且层片状长大进入 晶粒内，形成了层片状的 / 魏氏体结 构。abcd图 1 (a)-(d)分别为合金 1、2、3 和 4 的微观形貌的 SEMFig.1 SEM of microstructure for alloy 1,2,3 和 41008060W Content/%402 4 3200050100150200Distance from center of W particle/m图 2 合金 2、3 和 4 中从颗粒中心到基体之间 W 含量的分布Fig. 2. EDS composition profiles from the center of an arbitrarily selectedW particle into the Ti matrix for alloy 2, 3 and 4图 2 为合金 2、3 和 4 未固溶 W 颗粒中心到基体 Ti 之间 W 含量的成分分析，由图可知， 合金 2 中 W 含量呈递减的趋势，颗粒中心经过60m 的距离后 W 的含量下降为 20wt.%， 其后随着距离的增加，W 含量保持不变。合金 3 中 W 含量从颗粒中心降到 20wt.%经过150m 的距离，但随着距离的延长，W 的含量继续呈下降的趋势，直至基体 Ti 中 W 的含 量降为 0。采用纳米级 W 颗粒的合金 1，由于纳米 W 粉所具有的特性，W 与 Ti 的扩散路径 短，烧结过程中 W 与 Ti 能够充分进行互扩散，形成了成分均一含 W 量在 20 0.5%合金组 织。相对于采用 TiH2 为原料的合金 1、2 和 3，合金 4 中 W 与 Ti 的扩散固溶效果较差，这 是由于 Ti 与 O 的亲和力较大，在存放、压制过程中 Ti 已被部分氧化，Ti 颗粒表面形成 的致密氧化膜阻碍了烧结过程中 W 与 Ti 之间的互扩散，削弱了固溶强化的效果。3.2 显微硬度50020.05450 3400 4350Microhardness/HV3002502000 40 80 120 160 200Distance from center of W particle/m图 3 合金 2、3 和 4 中从颗粒中心到基体之间显微硬度值的分布Fig. 3 Microhardness profiles from the center of a randomly selected Wparticle into the Ti matrix for alloy 2, 3 and 4图 3 为合金的显微硬度曲线，合金 2、3 和 4 的显微硬度值呈现类似的规律，即 W 颗粒周围的过渡区显微硬度明显比颗粒中心高，从过渡区域到基体硬度值呈逐渐下降的趋势。合 金 2、3 和 4 中 W 颗粒中心硬度值分别为：370HV0.05，392HV0.05，374HV0.05，与退火态纯 W 的硬度（350HV0.05）接近。W 与 Ti 的互扩散使 W 颗粒周围形成过渡区域即富 W 相固溶 体和含 W 量较高的富 Ti 相固溶体，固溶强化使其显微硬度明显高于颗粒中心。从过渡区到 Ti 基体之间随着 W 含量的降低（富 Ti 相固溶体中 W 含量的降低），显微硬度值逐渐下降， 合金 2 形成 W 含量为 20wt.%左右的富 Ti 相的固溶体，其显微硬度为 340HV0.05。合金 4 与 合金 3 相比，其硬度值下降更快，其 Ti 基体的显微硬度值为 200-230HV0.05，与纯 Ti 的显微 硬度（210 20HV0.05）相近。合金 1 的硬度值分布比较平均（340-382HV0.05），与其微观组 织和成分分布相对应；即纳米 W 颗粒已经完全固溶于 Ti 基体中，形成了成分均一的 Ti-20W 合金。3.3 压缩性能图 4 为合金压缩的应力应变曲线，合金 1 和 2 的屈服强度和最大抗压强度较大（1490.5MPa，1301.1MPa），塑性相对较好。合金 3 和 4 屈服强度和最大抗压强度相对较小 (1267.7MPa，924.7MPa)，塑性明显比合金 1 和 2 差；且合金 4 比 3 的屈服强度和最大应力 更小。合金 1 和 2 的 W 基本上固溶于 Ti，形成含 W 量为 20wt.%富 Ti 的固溶体，固溶强化 的效果起到主导的作用，颗粒强化的效果可以忽略，从图 3 可知，富 Ti 呈现明显的硬脆特 征。合金 3，4 所用原始的颗粒尺寸大，W 和 Ti 之间的固溶的效果与合金 1 和 2 相比较差， 即形成了以 Ti 为基体 W 颗粒增强的复合材料，颗粒增强起到主导作用，其屈服强度和最大 抗压强度不如固溶强化效果占主导作用的合金 1 和 2，且塑韧性明显要低于合金 1 和 2。因 此，对于 Ti-20W 合金，固溶强化能明显提高合金的屈服强度和最大抗压强度。1400 121200310004800Stress /Mpa60040020000 2 4 6 8 10 12Strain/mm/mm4. 结论图 4 合金 1、2、3 和 4 压缩应力应变曲线Fig. 4 Compression stressstrain curves of alloy 1, 2, 3 and 41）利用固相烧结法制备了 Ti-20W 合金，合金 2、3 和 4 的组织是由残余的白色颗粒 W、 深色过渡区域和基体 Ti 等 3 种形貌组成，而采用纳米 W 粉的合金 1 形成了含 W 量为 20wt.%成分均匀的组织。2）合金 1 的硬度值分布均匀（340-382HV0.05），合金 2，3，4 硬度值从颗粒中心到基体 呈现先升高后降低的趋势。3）对于合金 1 和 2 固溶强化起到主导作用，合金呈现较大的屈服强度，最大抗压强度 为 1490.5MPa 和 1301.1MPa，合金 3，4 颗粒强化起到主导作用，屈服强度较小，最大抗压 强度为 1267.7MPa 和 924.7MPa，相对较小。参考文献1娄贯涛.钛合金的研究应用现状及其发展方向.钛工业进展J.2003(2):1-32宁聪琴,周玉.医用钛合金的发展及研究现状.材料科学与工艺J.2002(10):1-33Marc Long,H. 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Materials Science and Engineering: AJ.2003,344（1-2）:103-1057长崎城三,平林真编,刘安生译.二元合金状态图集M,北京:冶金工业出版社,2004:288 8C.莱茵斯,M.皮特尔斯编,陈振华等译.钛与钛合金M,北京:化学工业出版社,2005:3-13 9潘金生,仝健民,田民波.材料科学基础M.北京:清华大学出版社,1998:98-99Effect of W powder size on microstructure and mechanical property of Ti-20W alloyYang Yi1, Wang Qingxiang2, Gao Weina3 , Fan Zhikang4School of Materials Science and Engineering, Xian University of Technology, Xian (710048)AbstractTi-20W Alloy were prepared by solid-phase sintering, using an initial different size of W and TiH2powder as raw material。Microstructure and component were analyzed by optical micrographs (OM)and energy-dispersive spectroscopy (EDS).The microhardness and compression strength were also measured. The result show that dissolution of W powders in the Ti matrix during consolidation was almost complete for the fine powders,which exhibit much higher strength of compression and the distribution of microhardness value is uniform;when using coarse W powder, Dissolution of Wpowders in the Ti matrix was limited，whose strength of compression is lower。Keywords: Ti-20W alloy; solid solution; microstructure; compression strength作者简介：杨怡（1985.5-），男，安徽池州人，硕士研究生，主要研究方向：W-Ti 合金靶材的制备和研 究；范志康，通信作者，教授，博士，E-mail：fanzk。