基于氣體捕捉法的泡沫Ti-6Al-4V等溫發泡規律研究

王哲磊，任學平，侯紅亮，王耀奇，逯 偉

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

泡沫鈦是一種以鈦及其合金為基體并在其內部分布著孔洞的材料，其不僅具有鈦及其合金的比強度高、比剛度高以及耐腐蝕的特點，而且具有吸能、隔音降噪、低熱導率和磁導率等多孔材料的特性，在航空、航天、化工、醫療器械等方面具有廣泛的應用前景［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構在飛機艙門、機翼以及加強筋蒙皮方面具有潛在的應用前景，且波音公司已經采用該方法制備出可以應用的泡沫鈦三明治結構面板［1］.氣體捕捉法作為一種重要的固態發泡制備泡沫鈦方法，國外學者對此已開展相關研究，主要是圍繞利用熱循環［8－10］和氫化脫氫［11－12］誘導基體材料相變超塑性提高孔隙率方面展開的，但由于熱循環和氫化脫氫工藝本身對設備要求較高，使其在工業應用方面存在局限性;在等溫發泡方面也有一定研究，但主要是作為對比實驗，尚不夠系統，尤其是在孔洞形態控制方面.盡管通過等溫發泡制備的泡沫鈦孔隙率相對較低，但其孔洞形態規整，發泡設備簡單，具有進一步推廣的前景.而國內針對氣體捕捉法的泡沫鈦制備研究尚未見相關報道.

本文將針對氣體捕捉法的等溫發泡過程開展研究，對等溫發泡過程中孔洞狀態隨發泡溫度及發泡時間變化進行觀察及分析，闡明等溫發泡過程孔隙率和孔洞狀態的變化規律及機制，以期為氣體捕捉法等溫發泡制備泡沫鈦的推廣提供實驗依據.

1 實驗

實驗選用中國科學院金屬研究所生產的100－200目球形 Ti－6Al－4V 粉(化學成分如表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).

實驗過程主要是由包套封裝、包套致密化、預制坯等溫發泡3個階段組成，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，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型熱等靜壓設備中，在980℃/100 MPa/4 h條件下進行包套致密化實驗;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，封入內徑為20 mm石英管內(真空度為10－3Pa).最后，將封有預制坯的石英管放入ZDXS5－1.5箱式爐中進行等溫發泡實驗，工藝參數如表2所示，當達到保溫時間后，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.為保證實驗結果具有代表性，每個條件下選取5個試樣進行實驗.

表1 粉末化學成分(質量分數/%)

圖1 Ti-6Al-4V粉微觀形貌(a)及組織狀態(b)

圖2 泡沫Ti-6Al-4V制備工藝流程

依據阿基米德原理，通過SARTORIUSAG-ME235S電子天平計算坯料的密度(ρ);根據公式(1－ρ/ρs)×100%計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.運用OLYMPUS-BX41M 金相顯微鏡和LEO－1450掃描電子顯微鏡分別對制備的坯料組織和孔洞狀態進行觀察，侵蝕劑為Kroll試劑.運用圖像處理軟件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°的孔洞進行測量，對較大的20個孔洞求平均值).

表2 等溫發泡工藝參數

2 結果與討論

2.1 發泡溫度對預制坯發泡行為影響

預制坯等溫發泡后孔隙率和孔徑隨發泡溫度變化曲線如圖3所示，其發泡時間均為50 h.從圖3可以看出:孔隙率和孔徑隨發泡溫度變化規律相似，均是隨著發泡溫度的升高逐漸增加，當溫度達到950℃時孔隙率達到最大的34.8%，孔徑值達到最大的158μm;但繼續升高發泡溫度，孔隙率和孔徑均下降.

對不同條件下得到的泡沫Ti－6Al－4V孔洞狀態進行觀察，如圖4所示，其右上角為局部孔洞放大圖.從圖4可以看出，相同預制坯在不同溫度下等溫發泡后孔洞數量并沒有明顯變化，但相對于原始坯料卻有明顯增加，這是因為通過掃描電子顯微鏡觀察到的未發泡預制坯內孔洞只是少數，很多微米以下的孔洞并未被觀察到;發泡溫度主要是以提高坯料內大孔孔徑的方式增加孔隙率，但過高的溫度并不利于預制坯內孔洞的長大.根據理想氣體狀態方程PV=nRT(p為理想氣體的壓強，Pa;V為理想氣體的體積，m3;n為氣體物質的量，mol;T為熱力學溫度，K;R為理想氣體常數，R=8.314 J/(mol·K))可知，預制坯孔洞內氬氣壓力隨發泡溫度升高而升高，同時基體材料的高溫流變應力隨溫度升高而降低，因此，預制坯內孔徑隨發泡溫度升高而增大.

圖3 孔隙率和孔徑隨發泡溫度變化曲線

圖4 不同條件下泡沫Ti-6Al-4V孔洞形態

對不同發泡溫度發泡后坯料室溫組織進行觀察，結果如圖5所示.由圖5可以看到:當發泡溫度在950℃時，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大，說明在950℃及以下時基體組織主要發生的是α相向β相轉變過程，雖然也伴隨著相鄰相的融合長大，但由于原始α相對β相起到相互隔離作用，并沒有發生較大β相融合長大;當溫度達到980℃時，次生α相尺寸大于50 μm，說明高溫狀態下部分相鄰的β相發生了融合長大;而溫度達到1 010℃時，此時已經超過α+β→β的相轉變溫度，高溫狀態下材料已經完全是粗大的β相，因此，得到的室溫基體組織為細片層β轉變組織.由此可知，雖然發泡溫度越高，坯料基體孔洞內氬氣壓力越大，孔壁流變應力越小，但由于孔洞的長大主要是孔壁在多向應力作用下發生蠕變變形的結果，過高的發泡溫度會造成基體內大量大尺寸β相生成，使其蠕變變形能力較差［13］.它直接導致相鄰孔洞在還沒有充分長大的情況下就形成與其外表面相互連通的孔洞網絡，而這種孔洞連通現象通常是造成預制坯內捕捉到的氬氣外溢的直接原因，最終使預制坯內部孔洞因失去發泡動力而停止長大.在發泡溫度高于950℃的坯料內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，這種連通現象越明顯.

坯料高溫狀態下組織也決定了孔洞形態.對圖4中孔洞形態局部放大對比可以看出:發泡溫度在950℃及以下時，坯料內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生了α+β→β相轉變，但β相尺寸由于原生α相隔離作用并沒有長得過大，限制了預制坯基體晶粒的長大.孔洞長大主要是孔壁在多向應力作用下發生冪律蠕變和擴散蠕變的結果，此時晶界滑動是蠕變的主要協調機制［14］，直接表現在孔洞內壁成凹凸不平狀;由于這些凹凸尺寸相對于孔徑較小，并未對孔洞整體形狀產生影響，孔洞接近標準的球形.當溫度高于950℃后，由于機體內β相通過融合而長大，β相尺寸已經達到50 μm以上，必然導致基體晶粒也快速長大，此時晶界滑移已十分困難，蠕變主要的協調機制是晶內滑移系的滑移，沿著β相內平面能較低的{1 0 0}晶面進行滑移［15］，在圖4(e)的孔洞高倍照片中可以看到，此時的孔壁已經是大量的滑移面組成(圖4(e)中箭頭B所示);進一步升高蠕變溫度到1 010℃，由于超過了α+β→β相轉變溫度，β相迅速長大到100 μm以上，基本不存在晶界滑移現象，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，其對孔洞的形狀產生直接影響，導致孔形成邊多形狀.

圖5 不同條件下泡沫Ti-6Al-4V基體組織

2.2 發泡時間對預制坯發泡行為影響

對坯料在950℃下發泡后孔隙率和孔徑隨發泡時間變化情況進行了研究，如圖6所示.分析表明:孔隙率和孔徑隨發泡時間變化規律基本一致.當發泡時間小于10 h時，孔隙率和孔徑均隨發泡時間的延長而逐漸增加，但它們的增加速率都逐漸減小.當發泡時間大于10 h后，孔隙率和孔徑的增加均較緩慢.其中當發泡時間為10 h時，孔隙率達到34.2%，孔徑達到156 μm;繼續增加發泡時間到50 h，坯料孔隙率和孔徑并沒有明顯的增加.

圖6 孔隙率和孔徑隨發泡時間變化曲線

對950℃下不同時間發泡后坯料孔洞進行觀察，如圖7所示.從圖7可以看出:蠕變發泡1 h時，基體內孔洞分布相對分散，多為相鄰孔洞相互連通后形成的不規則形狀孔洞(如圖7中箭頭所示)，球形孔洞較少.隨著時間的增加，孔洞逐漸長大的同時，基體內相對規則的球形孔洞數量逐漸增加，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.當發泡時間為6 h時，基體內開始出現較多規則的球形孔洞.繼續增加發泡時間達到10 h，規則的球形孔洞的孔徑進一步增大，其中較大的孔徑已經達到170 μm，繼續延長發泡時間，孔洞形態及孔徑均未有明顯變化.由此可知，增加發泡時間的作用主要表現在以促進孔洞長大的方式提高坯料孔隙率，球形孔洞數量隨著發泡時間的增加逐漸增多，但過長的發泡時間并不會引起坯料孔洞及孔隙率發生進一步變化.

圖7 950℃不同時間發泡后泡沫Ti-6Al-4V孔洞形態

3 結論

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

2)增加等溫發泡時間的作用主要表現在以促進孔洞長大的方式提高坯料孔隙率，同時規則的球形孔洞數量隨著發泡時間的增加逐漸增多，但過長的發泡時間并不會引起坯料孔洞及孔隙率進一步的變化.

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