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探究工艺、粒径及元素含量对TA18合金组织及性能的影响

摘要

TA18（Ti-3Al-2.5V）是一种低合金化近α型的（α+β）型钛合金，常被称为

“近α”合金。该合金由于其较为优异的综合性能，如耐蚀性强、焊接性能优异

等，常被应用于各类飞机中。粉末冶金是大幅度降低钛及钛合金生产成本的有效

方法，但是材料中存在的残余孔隙过高、缺陷难以消除等传统冶金缺点，将使材

料展现出较低的力学性能。用氢化钛粉末制造各种钛合金材料的新途径，在很大

程度上将成为降低该类材料生产成本最有效、最具发展性的方法。

本课题通过混合元素粉末冶金技术（BlendedElementalPowderMetallurgy，

BEPM）使用两种制粉方法来制备研究所需Ti-3Al-2.5V、Ti-3Al-4V和Ti-5Al-4V

合金，研究的主要内容为烧结行为及其所设置参数对烧结样品微观组织和综合力

学性能的影响，并探究Al元素和V元素的含量对烧结试样各项性能的影响。研究

烧结温度时间参数组合、合金粉末粒度分布等工艺因素对烧结后材料相对密度、

晶粒大小、烧结材料组织形貌、孔隙分布情况等以及机械力学性能的影响规律。

粉末冶金制备Ti-3Al-2.5V时，烧结样品随烧结温度和时间增加，组织变得更

加粗大。等轴组织呈减少趋势，而片状组织增加。各种试样在不同的烧结温度、

保温时间、原始粉末粒径、制备合金粉方法的条件下的实验结果呈现出了一定的

规律。从TiH2粉末粒径大小的角度来看，在两种方法中，0~45μm的TiH2所得到

的Ti-3Al-2.5V合金的强度和韧性的综合性能要优于0~88μm的；从保温时间的角

度来看，保温时间为4h的Ti-3Al-2.5V合金的断后伸长率要明显高于8h，但是其

拉伸强度和屈服强度的区别不是特别显著；从两种制混合粉的方法的角度来看，

两者在各项性能的比较中都略有优劣，但从折线的变化趋势来说，经熔炼后得到

的合金要稍次于60Al-40V合金粉与单质V粉混合而成的合金。根据实验结果确定

的综合性能最佳的实验条件是45μm的TiH2基与通过熔炼制备的中间合金粉混合

后在1250℃保温4h，此时试样的抗拉强度为874.87MPa，断后延伸率为20.80%。

以氢化钛粉为原料对不同铝钒含量钛合金的组织与力学性能分析，得到如下

结论：随着Al、V含量增加，衍射峰向大角度偏移，晶轴比增加；加入Al、V合

金元素后，TiH2对应烧结样品呈片状组织，随着Al、V元素含量的增加，通过TiH2

粉制备的对应样品的强度增加，延伸率先呈递减趋势，两种温度下的最大抗拉强

度分别为924.56MPa和918.63MPa，对应延伸率分别为16.30%和14.20%；在合

金成分中Al、V含量相同的条件下，1250℃下烧结组所对应烧结样品的延伸率略

高，综合力学性能略优。Al、V含量的增加使得两类合金的脆性断裂形貌增加，

延伸率减小，塑性降低。

关键词：

钛合金，粉末冶金，氢化钛，铝钒含量，力学性能

EffectsofProcess,ParticleSizeandElementContentonThe

StructureandPropertiesofTA18Alloy

Abstract

TA18(Ti-3Al-2.5V)isalow-alloynear-alpha(α+β)typetitaniumalloy,often

referredtoasnear-αalloy.Thisalloyisoftenusedinvarioustypesofaircraftdueto

itsrelativelyexcellentcomprehensiveproperties,suchasstrongcorrosionresistance

andexcellentweldingperformance.Powdermetallurgyisaneffectivemethodto

reducetheproductioncostoftitaniumand