中科院過程工程所Metall. Mater. Trans. A：核殼Ti@Ni粉末的燒結反應和等軸α-Ti晶粒形成

【引言】

粉末燒結是一種非常傳統的制備工藝。燒結過程中，對于溫度、時間和壓力等因素等的控制，對合金的致密度、相結構和性能具有決定性作用。燒結過程中通常發生元素擴散和化學反應。如何控制燒結過程中元素的物理和化學活動呢？本文對比了單純的Ti和Ni粉末混合燒結和核殼狀Ti@Ni粉末燒結后，材料的顯微結構和力學性能，找到了其最佳工藝。這對于粉末燒結工藝的應用和調控具有重要意義，促進了粉末燒結工藝在合金制備中的應用。

【成果簡介】

近日，中國科學院過程工程研究所的楊亞鋒（通訊）作者等人，使用Ti@Ni核殼粉為原料，與單質粉末混合物相比，有利于提高燒結致密度，獲得線性收縮響應，形成等軸a-Ti晶粒并減少氧污染。雖然增強的燒結致密化是提高拉伸強度的原因，但是等軸a-Ti晶粒形成，低氧增量和降低的孔隙率含量的組合也顯著地提高了拉伸延展性。線性收縮響應對于精確控制燒結部件的尺寸是有利的。本文詳細討論了Ti@Ni核殼粉末中，Ni的獨特溶解象對性能的影響機制。相關成果以“Sintering Response and Equiaxed α-Ti Grain Formation in the Ti Alloys Sintered from Ti@Ni Core-Shell Powders”為題發表在Minor Metals Trade Association上。

【圖文導讀】

圖 1 Ti包覆Ni前后的XRD譜圖

圖 2 不同Ni含量的Ti@Ni的SEM圖

（a，b）Ti@Ni中Ni含量為0.89 wt pct的SEM圖；

（c，d）Ti@Ni中Ni含量為2.12 wt pct的SEM圖；

（e，f）Ti@Ni中Ni含量為3.45 wt pct的SEM圖；

（g，h）Ti@Ni中Ni含量為4.32 wt pct的SEM圖。

圖 3 混合物元素粉末和核殼Ti@Ni粉末燒結后，燒結密度和Ni含量的函數關系圖

圖 4 核殼Ti@3.45Ni粉末和Ti-3.45Ni元素粉末混合物的壓坯的燒結響應圖

圖 5 不同Ni含量的Ti-Ni和Ti@Ni粉末燒結后的光學圖

圖 6 Ni含量與Ti-Ni合金的拉伸強度和延伸率的關系圖

（a）采用元素粉末和Ti@Ni粉末混合燒結后，Ni含量與Ti-Ni合金的拉伸強度關系圖；

（b）將元素粉末和Ti@Ni粉末混合燒結后，Ni含量與Ti-Ni合金的延伸率關系圖。

圖 7 不同Ni含量的Ti@Ni粉末制備的Ti-Ni合金的端口SEM圖

（a，b）Ni含量為3.45 wt pct的Ti-Ni合金的端口SEM圖像；

（c，d）Ni含量為4.32 wt pct的Ti-Ni合金的端口SEM圖像。

圖 8 元素粉末和Ti@Ni粉末的DSC和XRD圖

（a）Ni含量為3.45 wt pct時，元素粉末和Ti@Ni粉末的DSC圖；

（b）Ni含量為3.45 wt pct時，元素粉末和Ti@Ni粉末的XRD譜圖。

圖 9 元素粉末燒結后的SEM和線性EDS圖

（a）元素粉末1273K燒結10 min后的SEM和線性EDS圖；

（b）元素粉末1373K燒結10 min后的SEM圖。

圖 10 核殼粉末熱處理后的SEM圖

（a，b）核殼粉末在1023 K下，保溫10 min后的SEM圖；

（c，d）核殼粉末在1153 K下，保溫10 min后的SEM圖。

【小結】

本文通過化學鍍成功制備了Ti@Ni核殼粉末。涂覆在Ti粉末上的Ni顆粒是納米尺寸的，因此在燒結的最初階段Ni可以擴散到Ti中。Ni的主要溶解發生在α-Ti區域，并在α/β轉變溫度下完成。這比元素粉末混合物的[1373 K和1473 K]溫度低得多，因此具有更高的收縮率。獨特的溶解促進了在β-Ti中Ni的快速均勻化，產生了正的線性收縮響應。在冷卻過程中形成均勻沉淀的共析物，阻礙α-Ti的生長，進而形成等軸晶粒。涂覆的Ni層能夠防止氧氣從外部引入，進而減少氧氣增量。雖然增強的燒結致密化是提高拉伸強度的原因，但是等軸α-Ti晶粒形成，低氧增量和降低的孔隙率含量的組合，使合金延伸率提高了兩倍。線性收縮響應有利精確控制燒結部件的尺寸。涂層Ni含量為3.45％ wt pct為最優值，一旦超過這個值，就會形成了過多的脆性共析物，并大大降低了材料拉伸延展性

文獻鏈接：Sintering Response and Equiaxed α-Ti Grain Formation in the Ti Alloys Sintered from Ti@Ni Core-Shell Powders（Metall. Mater. Trans. A, 2018, DOI: 10.1007/s11661-018-4698-9）

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