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钛及钛合金生产加工成本高是限制其广泛应用的主要原因,因此推进钛的低成本化是目前钛产业发展的总体趋势。粉末冶金是短流程制备低成本、高性能钛及钛合金的有效方法,它不通过熔化制备致密钛合金材料,解决了钛作为难熔金属的熔炼问题;同时其近净成形特点和微观组织优势减少了制造最终产品所需的原材料及开坯锻造过程,解决了铸锭冶金钛合金材料利用率低及热加工困难的问题。低成本氢化脱氢(HDH)钛粉可用于制备粉末冶金钛合金制件,但由于受间隙原子含量高、烧结致密度低和微观组织粗大等因素影响,使粉末冶金制品的组织性能优势得不到发挥。为此,本文将以HDH钛粉为主要原料,建立多种低间隙原子含量钛合金的粉末冶金制备工艺,并对其显微组织、力学性能等进行系统分析,具体研究内容和成果如下:(1)采用HDH钛粉、铝粉和铝钒合金粉的混合粉末,冷等静压成形结合真空烧结成功制备了低间隙原子含量的Ti-6A1-4V合金,其中氧含量为0.07～0.15 wt.%、氮含量为 0.018～0.045 wt.%、氢含量为 0.001～0.01 wt.%,达到钛合金锻件 ASTM B381-13 标准中 Grade F5(Ti-6A1-4V)和 Grade F23(Ti-6A1-4V ELI)的成分要求。结果表明HDH工艺能够获得极低间隙原子含量的钛粉,间隙原子含量的增加主要源于粉末及压坯的操作、转移和储存过程。(2)采用HDH钛粉(D50=10 μm)、铝粉(D50=5 μm)和铝钒合金粉(D50=10μm)的混合粉末1150℃真空烧结获得了致密度99%左右的Ti-6Al-4V合金。,抗拉强度为900～940 MPa,屈服强度为850～900 MPa,延伸率为14～16%,超过了钛合金锻件ASTM B381-13标准中Grade F5的要求。烧结态组织为40～70μm的近等轴/短棒状α相和晶间β的两相组织。随着烧结温度的提高,β晶粒显著长大,导致等轴/短棒状α相逐渐演变为α+β片层组织,最终形成长而平直的α集束,计算得到β晶粒长大激活能为518 kJ/mol。(3)采用氢化脱氢-自蔓延扩散制备部分预合金粉末,结合冷等静压成形和真空烧结致密化制备了低间隙原子的Ti-23Al-17Nb合金,氧含量为0.09～0.12 wt.%,氮含量为 0.028～0.04 wt.%,氢含量为 0.002～0.01wt.%。氢化钛粉、铝铌合金粉和铝粉的混合粉末在自蔓延扩散过程中发生了TiH2→Ti+H2、Ti+Al→TiAl3、Ti+Al3Nb→AlNb2+TiAl3→AlNb3+TiAl3 等反应。部分预合金粉末(D50=6.49 μm)在1100～1200℃真空烧结后相对密度分别为95.1%、96.3%、98.7%。1200℃真空烧结后Ti-23Al-17Nb微观组织为均匀细小的α2、B2和O相组成的三相组织,抗拉强度941 MPa,屈服强度862 MPa,延伸率11.7%。(4)采用氢化脱氢-气固反应制备Ti-TiC复合粉末、结合冷等静压成形和真空烧结制备了低间隙原子的Ti-TiC复合材料,氧含量为0.15～0.21 wt.%,氮含量为0.042～0.062 wt.%,氢含量为0.008～0.013 wt.%。在温度高于700℃的 CH4氛围下,TiH2 粉末经历 TiH2→TiH1.5+H2→Ti+H2、Ti+CH4→TiC+H2等反应实现TiC复合。烧结材料中TiC第二相尺寸为3～12μm,体积分数为0～35 vol.%。由于TiC颗粒的钉扎作用,钛基体α晶粒被明显细化,从87.89 μm降至34.76 μm。随着TiC体积分数提高,材料硬度从292 HV提升至773 HV。得益于晶粒细化、TiC第二相强化和C/N/O等间隙原子的固溶强化,以及基体较低的间隙原子含量,Ti-15 vol.%TiC获得优良的综合室温拉伸性能,抗拉强度715 MPa,屈服强度628 MPa,延伸率12.1%。(5)采用CaB6作为高氧含量HDH钛粉的固氧添加剂制备综合性能优异的粉末冶金钛合金。适量的CaB6添加能够促进烧结致密化,高氧含量Ti及Ti-6A1-4V粉(氧含量大于0.3 wt.%)中分别添加0.2 wt.%和0.1 wt.%CaB6使烧结相对密度从97.1%提升至99.3%、97.2%提升至98.8%。添加CaB6形成的两种第二相,即Ca-Ti-O的三元氧化物和TiB。添加CaB6能明显细化晶粒,1 wt.%CaB6能够使Ti基体α晶粒尺寸从178μm降低至36 μm,Ti-6A1-4V基体中α+β片层长度从203μm 降低至38μm。Ti-0.2CaB6和 Ti-6Al-4V-0.1CaB6获得良好的综合力学性能,抗拉强度分别为665 MPa和944 MPa,屈服强度为604 MPa和903 MPa,延伸率为15%和9%。对比未添加CaB6的Ti和Ti-6A1-4V,延伸率数值分别提升8%和5%。