【摘 要】
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钛合金具有较低的成本和优异的性能,因此被大量应用于航空航天、生物医药和工业生产等领域。其中,Ti-6Al-4V（TC4）合金具有高强度、耐高温、抗腐蚀及优异的可加工性,从而得到了广泛的应用。粉末冶金混合元素法（BEPM）由于能显著降低钛合金制备成本而在研究和生产中得到越来越广的关注。然而,目前关于钛及钛合金粉末压制和烧结致密机理的研究较少,尤其是缺少对氢化钛脱氢机制、合金元素均匀化规律及烧结样品组
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钛合金具有较低的成本和优异的性能,因此被大量应用于航空航天、生物医药和工业生产等领域。其中,Ti-6Al-4V（TC4）合金具有高强度、耐高温、抗腐蚀及优异的可加工性,从而得到了广泛的应用。粉末冶金混合元素法（BEPM）由于能显著降低钛合金制备成本而在研究和生产中得到越来越广的关注。然而,目前关于钛及钛合金粉末压制和烧结致密机理的研究较少,尤其是缺少对氢化钛脱氢机制、合金元素均匀化规律及烧结样品组织演变与性能关系的分析。因此,高性能钛及钛合金制品的初始粉末选择、制备条件及后续加工方案的制定存在着极大的挑战。本文以纯钛和TC4合金为研究对象,探究了粉末类型、压制条件、杂质含量及元素扩散对烧结样品力学性能的影响,获得了粉末致密及氢化钛粉末脱氢的规律。以此为基础,进一步探究了辊锻变形和热处理对TC4合金烧结样品组织和性能的影响,揭示了组织演变对性能的影响机制。本文主要研究内容和结论如下:（1）探究了纯钛粉末的特性及生坯压制机理。在粉末生坯致密过程中,氢化-脱氢钛（HDH Ti）粉末的致密机制为粉末塑性变形引起的体积收缩,氢化钛（TiH2）粉末的致密机制为破碎粉末对孔隙的填充。TiH2粉末的压制行为主要包括在压制初期颗粒的重排和破碎,中期轻微的塑性变形,以及在后期填充孔隙的颗粒碎片的重排,这种压制特性为生坯提供了更高的相对密度。压制方程对纯钛粉末压制数据具有极高的拟合度（R~2＞0.99）。线性压制方程通过拟合参数可以区分同一类型粉末中的不同粒径分布形式。非线性压制拟合方程可以通过拟合参数分析不同致密机理对粉末致密化的贡献程度,其中由Gerdemann和Jablonski方程得到的拟合参数更符合粉末致密化的客观机理。（2）研究并揭示了纯钛粉末烧结致密机制及TiH2粉末脱氢机理。粉末生坯的烧结性能主要受到粉末颗粒比表面积和接触面积的影响,因此使用更细的粉末和更高的压制压力能够获得更高的烧结密度。TiH2粉末烧结样品具有更高的烧结密度和更低的杂质含量,因此其具有更均衡的力学性能。这种优势主要是由脆性TiH2粉末制成的具有高相对密度的生坯以及由粉末脱氢提供更高的烧结能力所形成的。TiH2粉末生坯在脱氢过程中主要经历了δ-TiH2（FCC）→β（BCC）+δ-TiHx（BCT）→α-Ti（HCP）的相变过程。（3）研究了元素均匀化程度对TC4合金烧结样品力学性能的影响。在致密化和均质化过程中,合金元素扩散和粉末致密化是一个动态重叠过程,与Al-V合金中的Al元素相比,Ti-Al合金中的Al元素会优先扩散且扩散速度更快。TiH2基合金在脱氢过程中产生的氢气可以对中间合金起到“清洁”和提高活性的作用,促进元素扩散进程,提高样品性能。合理的烧结密度和氧含量能够获得最优的力学性能组合,通过研究得出由0-125μm TiH2粉末与0-26μm单一中间合金制备的TC4合金获得了抗拉强度为1000 MPa,屈服强度为906 MPa,延伸率为17.83%的最优力学性能。（4）探究了辊锻变形和热处理对TC4合金烧结样品组织演变和性能变化的影响。TC4合金烧结样品在辊锻变形后,晶粒被破碎并伴有动态再结晶晶粒产生,同时形成{10（?）0}柱面在RD取向的织构。辊锻后的TC4合金样品通过再结晶退火获得等轴α晶粒组织,对退火后的样品进行固溶和时效处理,样品经历了αp+β→αp+α’+α"→αp+βT（αs+β）相变过程,形成等轴α晶粒与针状或棒状βT共存的组织形态,该组织具有最佳综合力学性能（抗拉强度为1269 MPa,屈服强度为1248 MPa,延伸率为16.05%）。综上所述,本文以TiH2和HDH Ti粉末为基础对纯钛及TC4合金的粉末特性、压制机理、元素均匀化及力学性能进行了系统性的研究,阐明了TiH2粉末的脱氢机理,获得了粉末致密化、元素均匀化和组织演变的规律,为钛合金粉末冶金的制备及机理分析提供了有效方法和理论基础。
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