Si和GNP添加及烧结工艺对高能球磨Ti-18Mo合金的组织和性能影响

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本文采用高能球磨-冷压成型-真空烧结和高能球磨-放电等离子烧结两种工艺制备Ti-18Mo、Ti-18Mo-0.5Si、Ti-18Mo-1Si和Ti-18Mo-2Si四种基体钛合金,采用SPS烧结工艺制备了Ti-18Mo-0.5Si-0.02GNP、Ti-18Mo-0.5Si-0.04GNP、Ti-18Mo-0.5Si-0.06GNP和Ti-18Mo-0.5Si-0.08GNP四种复合材料。并分析其烧结物相组成、孔隙率、硬度、高温抗氧化性能和抗酸腐蚀性能。研究结果如下:(1)分析了基体和复合材料烧结后的物相组成。两种烧结工艺制备合金的物相基本相似,Ti-18Mo合金主要含有Ti及TixMoy相,添加Si元素的合金还出现了Mo5Si3、TiSi、Ti5Si4和Ti5Si3等硅化物。SPS复合材料表面物相除含有Ti、TixMoy、Mo5Si3、Ti5Si4和Ti5Si3相,还出现了TiC和SiC相。(2)检测了基体和复合材料烧结后的孔隙率和显微硬度。Ti-18Mo-0.5Si合金孔隙率最低(VS:6.84%;SPS:3.44%),比Ti-18Mo合金减少50%;SPS复合材料相比,Ti-18Mo-0.5Si-0.04GNP材料的显气孔率最低,仅有3.36%,比Ti-18Mo-0.5Si合金减少2%。基体合金中,Ti-18Mo-2Si(VS:1098.3 HV;SPS:1108.1 HV)硬度最高;四种SPS复合材料中,Ti-18Mo-0.5Si-0.08GNP硬度最大(1389.1 HV)比Ti-18Mo-0.5Si合金(1032.4 HV)提高了近34%。(3)研究了基体和复合材料在700℃、800℃和900℃氧化100 h的高温抗氧化性能。基体和复合材料表面氧化产物主要为锐钛矿或金红石型TiO2相、SiO2相和TiO相。基体合金中,Ti-18Mo-0.5Si合金的抗氧化性能最佳。真空烧结Ti-18Mo-0.5Si合金在700℃下的氧化增重为4.09 mg·cm-2,平均氧化速度K+值为0.37 g·m-2·h-1,达到抗氧化等级;SPS烧结Ti-18Mo-0.5Si合金在700℃和800℃下增重分别为3.52 mg·cm-2和2.97 mg·cm-2,K+值分别为0.11 g·m-2·h-1和0.14g·m-2·h-1,氧化动力学曲线符合立方氧化规律。SPS烧结Ti-18Mo-0.5Si-0.04GNP在800℃和900℃下具有最少的氧化增重(分别为2.92 mg·cm-2和3.21 mg·cm-2),比基体减少约25%,K+值分别为0.09 g·m-2·h-1和0.12 g·m-2·h-1,氧化规律符合立方规律,抗氧化性能较好。SPS合金在700℃下的抗氧化性能优于800℃、SPS复合材料在800℃下的抗氧化性能优于900℃。(4)研究了基体和复合材料在1 mol/L的HCl溶液中腐蚀100 h的抗腐蚀性能。SPS合金中,Ti-18Mo-0.5Si抗腐蚀性能最佳,腐蚀深度仅为15μm,减重约为7mg·cm-2,腐蚀层较为完整。SPS复合材料中,Ti-18Mo-0.5Si-0.04GNP的腐蚀深度最小,仅有5μm,腐蚀表面平整,腐蚀深度比基体减小约66.7%。(5)分析了两种烧结工艺对基体合金的影响,差异主要包括烧结物相组成、孔隙率和抗氧化性能。SPS工艺有利于Ti、Mo和Si元素之间的扩散,生成更多的Mo5Si3、Ti5Si3等物相,提高了钛合金的致密度和显微硬度,从而在高温氧化试验中,可以更好地阻挡氧元素扩散,提高抗氧化性能。总体上,SPS烧结工艺制备的材料性能优于真空烧结工艺。本文创造性地提出了以添加Si和GNP来提高Ti-18Mo合金的硬度、抗氧化和抗腐蚀性能。其中,Ti-18Mo-0.5Si合金和Ti-18Mo-0.5Si-0.04GNP复合材料具有最佳的综合性能,为Ti-18Mo合金的发展提供依据。
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