Metall. Mater. Trans. A：對Ti粉中氧化膜溶解和LaB6除氧“特異功能”的介紹

【引言】

粉末冶金技術（PM）是鈦（Ti）合金近凈成形制造和新型鈦合金開發的重要途徑。鈦粉中的氧（O）含量是影響各種粉末鈦合金的成本和機械性能的關鍵因素。為確保產品具有足夠的延展性，PM Ti合金的O含量必須保持在足夠低的水平。然而，由于Ti對O的高化學親和力，降低Ti粉末的O含量非常困難。更嚴重的問題是Ti粉末上的表面氧化物膜在較高的溫度下（> 600oC以上）能夠逐漸溶解到表層下的Ti金屬中。由于O在Ti中的溶解度可高達14wt％，一旦表面氧化膜中的氧原子進入到Ti固溶體中，再從Ti固溶體中除去O將變得極具挑戰性。盡管稀土（RE）能夠從高溫β-Ti固溶體中清除O，但RE清除氧的過程受氧的擴散控制，因此難以充分進行。最有效的途徑是表面氧化膜溶解之前將其中的氧清除。?

【成果簡介】

近日，中科院過程所楊亞鋒研究員和澳大利亞墨爾本皇家理工大學馬前教授（共同通訊作者）在Metallurgical and Materials Transactions A 上發表了一篇名為“Fundamental Understanding of the Dissolution of Oxide Film on Ti Powder and the Unique Scavenging Feature by LaB₆”的文章。該研究表明鈦粉表面氧化膜由TiO₂，Ti₂O₃和TiO組成，在約943 K（670℃）時開始向鈦基體溶解。在表面氧化膜活化溶解之前，LaB₆可以清除O。清除過程為：表面氧化層與LaB₆之間發生反應，開始形成界面LaBO₃層，隨后氧通過LaBO₃層擴散。LaB₆獨特的除氧特性使得材料的延伸率大大改善。

【圖文導讀】

圖1. Ti粉末壓塊的膨脹曲線和XPS測量結果

（a）在200 MPa壓制的Ti粉末壓塊的膨脹曲線；

（b）Ti粉末的XPS能譜；

（c）Ti粉末樣品距表面不同深度的高分辨率XPS能譜，重點關注在不同蝕刻時間條件下Ti 2p電子的信息和其XPS精細能譜結果；

（d）經過熱處理后的Ti粉末樣品不同深度的的高分辨率XPS精細能譜結果， 同樣重點關注不同時間刻蝕后Ti 2p電子的信息。

圖2. LaB₆粉末的DSC曲線和XRD圖譜

（a）LaB₆粉末，摩爾比為1：1的Ti-LaB₆和TiO₂-LaB₆ 粉末混合物在加熱到1623 K（1350 ℃）過程中，加熱速度為10 ℃/ min時的DSC曲線；

（b）在加熱過程中，在978 K，1403 K和1623 K（705 ℃，1130 ℃和1350 ℃）中斷的Ti-LaB₆ DSC樣品的XRD圖譜。

圖3. Ti-1.0 LaB₆壓坯的形貌和成分分析

（a）Ti-1.0 LaB₆壓坯中LaB₆顆粒的背散射電子圖像（BSE）；（b）加熱到978 K（705 ℃）后LaB6顆粒的背散射電子圖像；（c）和（d）是（b）中顯示的微結構的O，B的EDS 面掃結果。

圖4. Ti-1.0LaB₆壓坯熱處理后的形貌和成分分析

（a）加熱到1403 K（1130 ℃）Ti-1.0 LaB₆樣品中LaB₆顆粒的背散射電子（BSE）圖像；

（b）和（c）是O和B的EDS面掃結果；

（d）加熱到1623 K（1350 ℃）而不進行等溫處理的情況下Ti-1.0 LaB₆樣品中LaB₆顆粒的BSE圖像；

（e）是（d）中標記相的EDS結果；

（f）是在1623 K （1350 ℃）燒結120分鐘后的組織。

【小結】

Ti粉末上的表面氧化膜從最外層表面到最內層依次由TiO₂，Ti₂O₃和TiO組成，并且在常用的加熱速率（10 K /分鐘）條件下，約從943 K（670 ℃） 開始溶解到鈦基體中。溶解從熱力學最不穩定的TiO開始。在表面氧化膜活化完全溶解之前，LaB₆可以清除其中的O。由于鈦表面氧化層與LaB₆之間的反應形成界面LaBO₃層，隨后氧便通過疏松的LaBO₃層擴散，氧在升溫到1403 K（1130 ℃）時基本上可被完全清除，隨著溫度升高到1403 K（1130 ℃）以上，LaBO₃分解為La₂O₃和B₂O₃，該分解并不會導致O的進一步清除。與其他含RE添加劑相比，LaB₆具有獨特清除氧的特性。

文獻鏈接：Fundamental Understanding of the Dissolution of Oxide Film on Ti Powder and the Unique Scavenging Feature by LaB₆（Metall. Mater. Trans. A, 2017, doi.org/10.1007/s11661-017-4366-5）

本文由材料人編輯部金屬材料學術組Nancy整理編譯，點我加入材料人編輯部。

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