第３Ｏ卷 第５期 航空材料学报 Ｖｏ１．３０，Ｎｏ．５ ２０１０年ｌＯ月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＥＲＯＮＡＵＴＩＣＡＬ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１Ｏ 置氢ＴＣ４钛合金粉末模压成形烧结机构及其动力学 田亚强 ， 侯红亮 ， 任学平 （１．河北理工大学冶金与能源学院，河北唐山０６３００９；２．北京航空制造工程研究所，北京１０００２４；３．北京科技大学材料科学 与工程学院，北京１０００８３） 摘要：通过建立正四面体的烧结模型，数学推导了置氢钛合金粉末烧结颈与烧结体相对密度的表达式，结合动力学 实验研究了置氢ＴＣ４钛合金粉末模压成形固结加工过程中的动力学问题。结果表明：置氢ＴＣ４钛合金粉末烧结过 程中的物质迁移机构由体积扩散为主的迁移机制向体积扩散和晶界扩散共同作用的物质迁移机制过渡，并由此得 到了置氢ＴＣ４钛合金粉末材料模压成形固结过程的动力学方程，置氢量是影响置氢ＴＣ４钛合金粉末烧结体相对密 度的最重要因素之一。 关键词：置氢ＴＣ４钛合金粉末；模压成形．烧结；烧结机构；动力学 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—５０５３．２０１０．５．００１ 中图分类号：ＴＧ１４６．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５・５０５３（２０１０）０５—０００ｌ－０７ 由于钛合金粉末固结过程中存在高温下流动应 合金粉末固结加工过程物质迁移机制和动力学规 力大、原子扩散能力低等原因，将导致的钛合金粉末 律，将有助于从理论上深入研究、阐释置氢钛合金粉 固结温度高、压力大和时间长等问题¨ ，因此，为 末固结加工中置氢增效、加工改性机理。 有效地解决钛合金粉末固结过程中存在的问题，国 内外学者提出了一种利用氢的可逆合金化作用，将 １ 实验材料及方法 钛合金的粉末成形和氢处理技术相结合的工艺，来 降低钛合金粉末成形时的固结温度，缩短成形时间， 实验采用氢化．脱氢ＴＣ４（Ｈ：０．０１％（质量分 降低制件的孔隙率 ，相应提高制件的力学性能。 数，下同））粉末；以及由ＴＣ４钛合金棒材置氢（氢含 置氢钛合金粉末模压成形烧结的动力学规律的 量为０．０９％，０．１８％，０．３２％，０．４２％，０．４６％）后经 研究主要围绕着两个基本的问题展开：一是固结加 车削、机械研磨得到的置氢粉末，置氢ＴＣ４钛合金 工的驱动力或热力学问题；二是固结加工过程中的 粉末的粒度频度分布曲线如图１所示，其粉末特性 烧结机构和动力学问题。目前对烧结热力学原理已 可参考［１１］。 经形成比较明确和统一的看法，但定量的研究结果 ２ 一仍不多；对于烧结机构问题，尽管研究者和发表的论 Ｏｌ 一１ －一・－一０．， Ｉ文很多，但是观点存在分歧，争论很激烈，而且延续 ▲一Ｏ．１８ 一０．０９ Ｉ 一了很长时间¨ 。 ｇ １ 一—，◆・一Ｏ０ｏ．ｌ３４２６ 童 ｌ ｌ 本工作试图通过建立置氢钛合金粉末固结过程 ２ ｌ 的几何模型，推导置氢钛合金粉末烧结颈与烧结体 宏观参数相对密度的数学关系，理论分析置氢钛合 ● ● 遂ｌＩ ● １ｊ 金粉末固结过程中热力学影响因素，结合置氢ＴＣ４ ０．Ｉ ｌ ｌ０ ｌ０Ｏ ｌ０００ 钛合金粉末模压成形固结实验结果以及晶体空位形 Ｐａｒｔｉｃｌｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ／￣ｔｍ 成机理、原子扩散理论分析，最终得到置氢ＴＣ４钛 图１ 置氢ＴＣ４钛合金粉末粒度频度分布曲线 Ｆｉｇ．１ Ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄ 收稿日期：２００９．１０－１６；修订１３期：２０１０￣１—２０ ＴＣ４ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｐｏｗｄｅｒ 基金项目：１１ＡＺ６３０５，河北省现代冶金技术省重点实验室 作者简介：田亚强（１９８Ｏ一），男，博士，讲师，（Ｅ—ｍａｉｌ） 将置氢ＴＣ４粉末模压成形在１２０ ｋＮ压力下制 ｔｙｑｗｙｌｉｆｖｅ＠１６３．ｃｏｒｎ。 得的压坯置于真空碳管炉中，先抽真空至１．０ Ｘ ２ 航空材料学报 第３０卷 １０ Ｐａ，然后通人流动氩气保护气氛条件下烧结， 烧结工艺参数为温度：１３００￣（２，１３５０￣（２，１４００＇１２，以 ２５℃／ｍｉｎ升温速度快速升温到烧结温度，烧结保 温：２ｈ，２．５ｈ，３ｈ。按照ＧＢ／Ｔ ５１６３—１９８５《可渗透烧 结金属材料一密度的测定》的方法测量置氢ＴＣ４粉 末模压成形烧结体密度。 图３斜方六面体等径圆球排列示意图 （ａ）斜方六面体 中任意一层；（ｂ）斜方六面体中任意一层 ２ 置氢钛合金粉末烧结体烧结颈与相 Ｆｉｇ．３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｅｑｕａｌ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｓｐｈｅｒｅ ｒｈｏｍｂｏｈｅｄｒａｌ 对密度的关系 在运用模型方法以后，烧结的物质迁移机构才 有可能作定量的计算。研究表明 ：由理论上推导 烧结速度方程，采用两球几何模型，可得到任一烧结 时刻烧结颈曲率半径和烧结颈半径的关系，即微观 几何关系。置氢钛合金粉末压坯可认为是由骨架颗 粒按照一定的排列方式组合而成的，孔隙率与该压 坯固体颗粒的形状、结构及排列有关。等径圆球颗 粒排列中，最松的排列方式为立方体排列如图２ａ， 孔隙率４７．６４％，最紧密的排列方式为斜方六面体 排列如图２ｂ，其中每个圆球颗粒与相邻的ｌ２个圆 球相切，孔隙率２５．９５％。介于二者之间的排列方 式属于一般排列方式。就等径圆球颗粒而言，无论 按哪种方式排列，孔隙率均与圆球的半径无关 。 本工作中置氢ＴＣ４钛合金粉末压坯中颗粒的排列 方式与斜方六面体的排列方式最为相近，斜方六面 体中每层中排列方式为：以一个圆球颗粒，由六个圆 形颗粒围绕着该颗圆形颗粒排列如图３ａ，随着颗粒 数目的增大，发现这种排列方式中心有三个小圆，相 邻外圈有９个小圆，该排列小圆的分布可分成六个 完全相同的扇区如图３ｂ，为了计算方便，可取其中 的一个扇区进行研究。 图２等径圆球典型排列 （ａ）立方体排列； （ｂ）斜方六面体排列 Ｆｉｇ．２ Ｅｑｕａｌ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｓｐｈｅｒｅ ｔｙｐｉｅ￣ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ（ａ）ｃｕｂｉｃ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ；（ｂ）ｒｈｏｍｂｏｈｅｄｒａｌ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ 为了建立置氢钛合金粉末宏观参数烧结体相对 密度和微观参数烧结颈之间的关系，本研究任取斜 方六面体的排列中四个相邻的圆球颗粒，构成四个 ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ （ａ）ｓｉｘ ｃｉｒｃｌｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ａｒｏｕｎｄ ｏｎｅ； （ｂ）ｎｉｎｅ ｃｉｒｃｌｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ａｒｏｕｎｄ ｔｈｒｅｅ 球体组成的正四面体作为研究对象，假设粉末体由 平均半径为ｒ的球形颗粒组成，正四面体中的孔隙 体积百分数就是粉末体的孔隙度，两个球形颗粒之 间满足两球几何模型关系，如图４所示。假设粉末 体经过室温模压形成压坯后，每个球体与１２个相邻 的球体接触面半径为 。， 。可以认为是初始烧结颈 长度。因此，如图４所示，每一个球冠的体积ＡＶ 为： ＡＶ＝ ７１＂＾ （３ｒ一＾） ７ｒｒｈ （１） 由图４的几何关系可得： ＝２ｒｈ—ｈ ２ｒｈ （２） 将式（１）代入式（２），可得： ＡＶ： （３） 斗ｒ 在任意时刻正四面体的实体体积 为： 图４正四面体粉末烧结模型和球冠尺寸 Ｆｉｇ．４．Ｒｅｇｕｌａｒ ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｐｏｗｄｅｒ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｃｒｏｗｎ ｓｈａｐｅ ４ １ ＝ｌ了４仃ｒ３一 ２仃 ４＋３，ｒ ）＝ ｒ３一 ４ （４） 对式（４）微分，可得： ｄ ：一 （５） 根据质量不变条件， 第５期 置氢ＴＣ４钛合金粉末模压成形烧结机构及其动力学 ３ 一一生 Ｐ （６） 式中 ＡＬ一Ｖ 试样相对线收缩； ０ 式中ｐ一烧结体的相对密度。 将式（７）代入式（５）可得： Ａ（Ｔ）一与烧结温度有关的实验常数； 一烧结特征指数。 （７） Ｐ 斗＾ ４ 置氢钛合金粉末室温模压成形制得￣１２ｍｍ× １２ｒａｍ的圆柱形压坯试样，假设压坯由ｉ个边长为。 的立方体组成，初始密度为Ｐ。，并且在保护气氛下 烧结过程中，这ｉ个立方体各自均匀收缩，立方体边 了 一 将式（７）积分，可以得到： Ｐ：ｃ（ 厂 烧结体密度变为Ｐ，烧结前后试样的质量 ㈣ 长变为ｂ，式（８）中积分常数可以根据粉末压坯初始相对 密度求出。当初始相对密度为Ｐ。时，烧结颈为 。， 可得： ｐ－ｐｎ ｌ 鱼：二！ ！敦 ：±！ 衣（Ｊ ９）’ 式（９）给出了置氢钛合金粉末烧结体相对密度 与烧结颈之间的关系。从式（９）中可以看到，随着烧 结颈的增大，置氢钛合金粉末烧结体相对密度提高。 烧结颈生长速率随原子的扩散能力而变化，而置氢可 以明显地提高钛原子的自扩散能力和溶质原子的扩 散能力 ・” ，随着钛原子向烧结颗粒球体外扩散速率 逐渐地增加，烧结颈逐渐地长大，即烧结颈的生长速 率逐渐地提高，因此将有利于钛合金的致密化过程。 ３ 置氢钛合金粉末固结过程烧结机构 及其动力学 ３．１ 置氢ＴＣ４钛合金粉末模压成形烧结动力学 烧结理论目前只是指出了烧结过程中各种可能 出现的物质迁移机构及其相应的动力学规律，不同的 粉末、不同的粒度、不同的烧结温度或等温烧结的不 同阶段以及不同的烧结气氛、方式（如外应力）等都可 能改变烧结的实际机构和动力学规律。根据一定的 几何模型，并假定某一物质迁移机构，用数学解析方 法推导烧结颈长大的速率方程，再由模拟烧结实验去 演算，最后判定何种材料，在什么烧结条件下以哪种 机构发生物质迁移，并且烧结机构可以用一个动力学 方程通式描述¨。。。根据粉末烧结动力学方程Ｈ ： —— Ｌ ：‘（Ａ Ｌ Ｊ￡ ）￡｛ （１１）Ｌ ， 式（１１）中的烧结动力学特征指数ｎ，可以判断 何种材料在何种条件下发生了哪种机构为主的物质 迁移。式（１１）经数学变换后则有： １ｎ（ ）＝ｌｎＡ（ ）＋ ｌｎ￡ （１２） 保持不变，则： ＴＡＬ－１＿（ （１３） 。由置氢ＴＣ４钛合金粉末压坯动力学实验可得 出置氢ＴＣ４钛合金粉末线收缩率与置氢量、烧结温 度、保温时间的关系，如图５置氢ＴＣ４钛合金粉末 固结过程的动力学直线所示。由图５中的数据得到 的烧结动力学特征指数ｎ值列表如表１所示。 由表１可以看出，随着置氢量的增加和烧结温 度的升高，置氢ＴＣ４钛合金粉末烧结动力学指数ｎ 明显增加，由ｎ的平均值更容易看出：烧结动力学指 数ｎ由氢化一脱氢ＴＣ４钛合金粉末的２．５６，增加到 置氢量０．４２％时最大的２．７４。根据文献¨。’“ ，当ｎ ＝２．５时体积扩散为主要物质迁移机制，当ｎ＝３．０ 时晶界扩散为主要物质迁移机制，因此，随着置氢量 的增加和烧结温度的升高，置氢ＴＣ４钛合金粉末烧 结过程中的物质迁移机制由体积扩散为主的迁移机 构向体积扩散和晶界扩散物质迁移机制共同作用的 物质迁移机构过渡转移。 ３．２置氢在钛合金粉末固结过程中的作用 粉末一般在压制成某种形状压坯后进行烧结 的，烧结进行的驱动力自由能的降低主要是通过孔 洞的收缩来实现的。在固相烧结过程中，如果不施 加外压，粉末体也相当于受到一个“静水压力”，作 用在颗粒间接触面，颈部弯曲的固一气表面受到一 个本征的Ｌａｐｌａｃｅ拉应力作用，烧结动力是表面张 力ｏｒ造成的一种机械力，根据理想的两球模型，可 推导出描述烧结动力的关系式。这两个应力的存 在，影响了在颈部不同区域的空位形成能。 除表面张力弓Ｉ起烧结颈处的物质向孔隙发生宏 观流动外，在晶体粉末烧结时，还存在靠原子扩散的 物质迁移。按照近代的晶体缺陷理论，物质扩散是 由空位浓度梯度造成的化学位差别所引起的。粉末 颗粒内部，只要存在局部的空位过剩，就有空位浓度 的变化，在一定范围内就有梯度存在，就有空位流 ４ 航空材料学报 第３０卷 三 ｌｎ（ｔ／ｍｉｎ） 三 Ｉｎ（ｔ／ａｉｒｎ） 三 ｌｎ（ｔ／ｍｉｎ） 图５不同氢含量置氢ＴＣ４钛合金粉末烧结动力学直线 Ｆｉｇ．５ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄ ＴＣ４ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｐｏｗｄｅｒ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｃｏｎｔｅｎｔ （ａ）０．Ｏ１％；（ｂ）０．０９％； （Ｃ）０．１８％；（ｄ）０．３２％；（ｅ）０．４２％；（ｆ）０．４６％ 表１ 不同氢含量ＴＣ４钛合金粉末烧结动力学方程（１）指数ｎ值 Ｔａｂｌｅ １ Ｖａｌｕｅ ｏｆ ｅｘｐｏｎｅｎｔ ｎ ｏｆ Ｅｑ．（１）ｏｆ ＴＣ４ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ 动，就有扩散，就增加烧结活性 。晶体缺陷理论 认为物质扩散是由空位浓度梯度造成化学位的差别 超过其在该温度下平衡浓度的过剩空位，空位浓度 梯度就是导致空位或原子定向移动的动力。在应力 区域形成一个空位实际所需的能量应是Ｅ ＝Ｅ ± 所造成的，而扩散学说的基本观点是，晶体内存在着 第５期 置氢ＴＣ４钛合金粉末模压成形烧结机构及其动力学 ５ ｏ＇０，其中Ｅ，是理想完整晶体中的空位生成能 。。。 临时合金元素氢在钛合金中以间隙固溶（置氢 浓度较低未达到氢在钛合金中固溶度时）和氢化物 （置氢浓度达到氢在钛合金中固溶度时）的方式存 在，无论氢原子的存在方式如何，氢原子都大量存在 于钛原子点阵的间隙位置，使得钛原子点阵的能垒 发生畸变，大大地降低了钛原子间金属键合作用的 结合能。 综上所述，本研究认为造成置氢钛合金粉末烧 结体系内存在空位浓度梯度差及物质发生扩散转移 的主要因素是粉末烧结材料固有的表面张应力ｏｒ 造成的机械力和氢原子进入钛合金后削弱了金属键 合作用的结合能Ｅ 。故按统计热力学计算¨ ，结 合图４（双球贯穿模型的下面的一半部分），置氢钛 合金粉末烧结体内的空位平衡浓度为： ｃ ：ｅｘｐ（Ｓ ｒ／ｋ）・ｅｘｐ［一（Ｅ 一Ｅｈ）／ｋＴ］ （１４） 式中Ｓ，一生成一个空位引起周围原子振动改变的 熵值增大； Ｅ 一应力作用下，晶体内生成一个空位所需要 的能量（空位生成能）； Ｅ ～置氢降低的部分原子结合能。 受张应力区域的空位浓度为： ｃ ＝ｅｘｐ（Ｓｆ／ｋ）・ｅｘｐ（一Ｅｆ／ｋＴ）・ ｅｘｐ［（ｏ＇Ｏ＋Ｅｈ）／ｋＴ］＝ｃ ０ｅｘｐ［（ｃｒｌ＇２＋Ｅｈ）／ｋＴ］ （１５） 其中：ｃ 。＝ｅｘｐ（５ｒ／ｋ）・ｅｘｐ（一Ｅｒ／Ｊ｝ ）为无应 力区域的平衡空位浓度。同样可得到受压应力区域 的空位浓度为： Ｃ ：ｃ ０ｅｘｐ［（一ｏ＇Ｏ＋Ｅｈ）／ｋＴ］ （１６） 因为（Ｅ＾±ｃｒｌ２）／ｋＴ＜＜１，故ｅｘｐ［（Ｅｈ± ｏ＇Ｏ）／ｋＴ］一１＋（Ｅｈ±ｏ＇Ｏ）／ｋＴ。因此式（１５）和式 （１６）可写成ｃ ＝ｃ 。［１＋（Ｅｈ＋ｔｒＹ２）／ｋＴ］和ｃ ＝ ｃ 。［１＋（Ｅｈ一 ）／ｋＴ］。 由于置氢钛合金粉末体烧结颈的长大动力，材 料的表面张应力和氢原子削弱金属结合能共同作用 的结果，则置氢钛合金粉末固结过程中过剩空位浓 度为： △ｃ ＝ｃ 一ｃ 。＝ｃ 。・（Ｅｈ＋ｏ－０）／ｋＴ （１７） 假定具有过剩空位浓度的区域仅在烧结颈表面 下以Ｒ为曲率半径的圆内，且由材料的表面张力为 ＝一ｏｒ・Ｒ，故当发生空位扩散时，过剩空位浓度梯 度为： △ｃ ／Ｒ：Ｃ ”・（Ｅｈ／ ＋１）Ｔ￣／ｋＴＲ （１８） 式（１８）表明过剩空位浓度梯度是由氢原子削 弱的金属结合能和表面张力的共同作用的结果，随 着置氢量增加，将引起烧结颈表面下微小区域内的 空位向球体内扩散，从而造成原子朝相反方向迁移， 使得烧结颈得以长大，即置氢钛合金粉末固结过程 中由于氢原子削弱的金属结合能，使得原子迁移速 度增大，烧结颈生长速度得以提高，从而利于烧结。 ３．３置氢ＴＣ４钛合金粉末固结成形烧结机构 由置氢ＴＣ４钛合金粉末模压成形固结动力学 实验结果分析可知：置氢ＴＣ４钛合金粉末模压成形 烧结过程中，以晶界或表面为物质源的体积扩散在 物质迁移机构中总是占主导地位的。利用图４模 型，将之看成双球贯穿模型的下面的一半部分，金捷 里一柏格认为：空位由烧结颈表面向颗粒接触面上 的晶界发生扩散的，即物质沿相反途径向颈迁 移 。单位时间内物质的转移量应等于烧结颈的 体积增大，即 ｄＷｄｔ＝ＪｖＡ （１９） 式中＇，．，一单位时间单位面积通过颈上流出的空位 个数；Ａ一扩散断面积；Ｑ一一个空位的体积， ＝ （６为原子直径）。 根据扩散第一定律：Ｊ ＝４Ｄ Ｃ ＝４Ｄ ・ （Ａｃ ／Ｒ）。其中Ｄ 为空位扩散系数；△ｃ 为空位浓 度差； ｃ 为颈表面与球面的空位浓度梯度， Ｃ ＝／ｔｃ ／Ｒ。故式（１９）可变为： ｄＶ／ｄｔ＝４ＡＤ １－１・（△ｃ ／Ｒ） （２０） 体积表示的原子自扩散系数Ｄ ＝Ｄ ｃ ｏＱ，由图 ４可知，两球相贯穿，球中心间距减少２ ，烧结时出 现收缩，且两球的几何关系：Ｒ＝Ｘ２／４ｒ，Ａ＝（２￣ｒｘ） （２Ｒ）＝２ｚｒｘ’／ｒ，Ｖ＝２￣ｒｘ Ｒ＝７『 ／２ｒ，故ｄＶ＝２７ｒｘ ／ｒ ・ｄ 。又根据式（１８），将上述关系代入式（２０），化 简即可得到： ｄｘ／ｄｔ＝４Ｄ ・（Ｅｈ／ｃｒＯ＋１）３，１２／ｋＴ・４ｒ ／ｘ （２１） 积分后得到置氢ＴＣ４钛合金粉末固结过程体 积扩散时的烧结颈长大规律为： ５了： （２２） ｒ １ 式中 一粉末材料的表面张力；ｋ一常数；ｔ一烧结 时间；Ｔ一烧结温度。 将式（９）代入式（２２）可得： 『 Ｐ （４￣ 一 ４ ｆ３ｒｚ＋９ ）一ｐ （４ ＋９ ）一ｐ （４ ：一９ｘＺ一 ｏ）１ ／ ｛Ｖ 【ｐ （４√ —————————— ＋９ｘ ）＋ｐ （４√＿ｒ———————一 一９ｘ ）Ｊ ６ １２１５Ｄ ７力（Ｅ＾／０＂／２＋１） ——— 一 航空材料学报 第３０卷 ，，、 、 能，降低了部分原子结合能Ｅ ，造成原子问的晶格 畸变增加，即降低了原子间的结合能△ ，使局部区 域软化，可相对增加了原子向空位跳动时所需的超 额能量ＡＧ ，降低了空位形成能ＡＧ ，使得钛原子 及溶质原子扩散速度的增加，原子的自扩散系数增 大，晶体中具有这种超额能量的原子数将增多，显 然，置氢量越大，固结温度越高，这种脱位的原子就 会越多，空位就越多，式（２３）中右边项数值越大，烧 式（２３）即为置氢ＴＣ４钛合金粉末材料模压成 形固结加工的动力学方程。由式（２３）中可知：影响 置氢ＴＣ４钛合金粉末烧结体相对密度ｐ的因素有粉 末的压制性能（用粉末颗粒体积平均径ｒ和初始烧 结颈‰表示）、初始相对密度 、置氢量、原子的自 扩散系数ＪＤ 、粉末材料的表面张力 、原子体积Ｑ、 置氢降低的部分原子结合能Ｅ 以及烧结温度 和 结颈长大速率将增大，使得式（２３）中左边项中烧结 烧结时间ｔ等。其中，置氢量是影响置氢ＴＣ４钛合 金粉末烧结体相对密度的最重要的因素之一。这是 因为，由式（２３）可知：随着置氢钛合金粉末颗粒尺 寸的减小、置氢量增加和置氢后部分原子结合能的 降低、原子的自扩散系数的增大，都将致使置氢ＴＣ４ 钛合金粉末压坯烧结体相对密度地增大，从而利于 置氢钛合金粉末材料固结成形致密化进程。而研究 结果表明：置氢可以明显地降低钛合金中部分原子 的结合能，提高钛原子和溶质原子的自扩散系 数 ，此外，由图１结合文献［１ １］可知：置氢量０． ４２ ｗｔ％ＴＣ４钛合金粉末的体积平均径最小，粒度分 布最广，均匀度最差，小尺寸颗粒较多，利于烧结颈 长大，因此，置氢ＴＣ４钛合金粉末烧结动力学指数／＇ｔ 随着置氢量的增加发生明显变化的同时，ＴＣ４钛合 金粉末烧结动力学指数在置氢量为０．４２ ｗｔ％时达 到最大值。 究其原因可知：一方面，根据统计规律，在晶体 中只要原子热振动具有超额能量△ｕ（即高于原子 平均能量的值，原子超越势阱所必需的能量涨落） 这些原子将会摆脱其周围原子的约束力，而跳到别 的位置去，从而产生空位。原子扩散系数是决定扩 散过程的一个重要的物理量，其物理本质是原子跳 动频率．厂和每次跳动距离的平方来决定的。在空位 机理中，空位的出现及其数量和分布是关键因素；原 子向空位跳动的频率． 不仅受到空位形成能的影 响，还与其相紧邻的空余间隙位置数ｚ、原子的平 均振动频率 有密切的关系。又根据热力学，ＡＧ＝ △Ｕ一 Ｓ，则 ：Ｚｖｅｘｐ（一ＡＧＭ／ｋＴ）ｅｘｐ（一ＡＧ ／ｋＴ）＝ Ｚｖｅｘｐ［一（△ Ｍ＋△ Ｍ）／ｋＴ］ｅｘｐ［（△ｓＭ＋ＡＳｖ）／ ］ （２４） 其中：ＡＧ 是原子向空位跳动时所需的超额能 量；ＡＧ 是空位形成能。（△ ＋△Ｕ ）为空位扩散 激活能，（ＡＳ ＋△Ｓ ）为空位扩散激活熵。 置氢ＴＣ４钛合金粉末模压成形烧结过程，由于 氢原子进入钛合金后削弱了金属键合作用的结合 体相对密度增大；另外，原子跳动的频率相应增加， 同时也降低了空位扩散所需要的激活能（△ ＋ △Ｕ ），空位的出现引起晶体的熵（△Ｓ ＋／ｉＳ ）值 显著增大，这些都增大了原子的自扩散系数，增加钛 原子的扩散速度，所以在相同的烧结温度条件下，会 使烧结时间缩短，从而利于烧结。 ４ 结论 （１）由置氢钛合金粉末烧结体相对密度与烧结 颈之间的关系可知：随着烧结颈的增大，置氢钛合金 粉末烧结体相对密度提高。而随着置氢量的增加， 氢原子削弱的金属结合能增大，置氢钛合金烧结体 中过剩空位浓度梯度将增加，从而提高烧结颈长大 速度，故有利于置氢ＴＣ４钛合金粉末烧结体密度升 高。 （２）随着置氢量的增加和烧结温度的升高，代 表物质迁移机制的烧结特征指数，由氢化．脱氢ＴＣ４ 钛合金粉末的２．５６，增加到置氢量０．４２ ｗｔ％时最 大的２．７４，表明置氢ＴＣ４钛合金粉末压坯烧结过程 中的物质迁移机构由体积扩散为主的迁移机制向体 积扩散和晶界扩散共同作用的物质迁移机制过渡转 移。 （３）置氢量是影响置氢ＴＣ４钛合金粉末烧结体 相对密度的最重要因素之一。 参考文献： ［１］ＧＵＯ Ｓ Ｂ，ＱＵ Ｘ Ｈ，ＤＵＡＮ Ｂ Ｈ，ｅｔ ａ１．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｓｉｎ— ｔｅｒｉｎｇ ｔｉｍｅ ｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｔｉ－６Ａ１－４Ｖ ｃｏｍｐａｃｔｓ ｂｙ ｍｅｔａｌ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ［Ｊ］．Ｒａｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉ－ ｎｅｅｒｉｎｇ，２００５，３４（７）：ｌ１２３—１１２７． ［２］侯红亮，李志强，王亚军，等．钛合金热氢处理技术及 其应用前景［Ｊ］．中国有色金属学报，２００３，１３（３）： ５３３—５４９． ［３］苏彦庆，骆良顺，毕维升，等．置氢对Ｔｉ６Ａ１４Ｖ合金室 温组织的影响［Ｊ］．材料科学与工艺，２００５，１ ３（１）： 第５期 ｌ０３一ｌＯ７． 置氢ＴＣ４钛合金粉末模压成形烧结机构及其动力学 ７ 和氢化钛粉制备ＭＩＭ Ｔｉ．６Ａ１．４Ｖ合金［Ｊ］．稀有金属材 料与工程，２００５（１０）：１６２２—１６２６． ［４］ＫＥＲＲ，ＳＭＩＴＨ Ｐ Ｒ．Ｈｙｄｒｏｇｅｎ ａｓ ａｎ ａｌｌｏｙｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ ｉｎ ｔｉｔａｎｉｕｍ［Ｃ］∥Ｔｉｔａｎｉｕｍ’８０ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｐｒｏ— ｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｕｒｔｈ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．１９８０：２４７７ —［１０］黄培云．粉末冶金原理［Ｍ］．北京冶金工业出版社， ２００４：２６５—３３８． ２４８６． ［１１］田亚强，陈晓辉，侯红亮，等．置氢对ＴＣ４钛合金粉末 物理性能和压制性能的影响［Ｊ］．北京科技大学学报， ２００８（８）：８９３—８９７． ［５］ＥＬＩＥＺＥＲ Ｄ，ＥＬＩＡＺ Ｎ，ＳＥＮＫＯＶ Ｏ，ｅｔ ａ１．Ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｉｎ ｍｅｔａｌｓ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０００，Ａ２８０：２２０—２２４． ［１２］张一兵，潘文，刘佐民．基于高强圆柱烧结体的填充 模型研究［Ｊ］．机械设计与制造，２００６（８）：７４—７６． ［１３］ＳＵＮＤＡＲＡＭ Ｐ Ａ，ＢＡＳＵ Ｄ，ＳＴＥＩＮＢＲＥＣＨ Ｒ Ｗ，ｅｔ ａ１． Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｏｎ ｔｈｅ ｅｌａｓｔｉｃ 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ａｎｄ Ｔｅｃｈ— ｎｏｌｏｇｙ Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｉｏｎ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｐｏｗｄｅｒ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ｒｅｇｕｌａｒ ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｐｏｗｄｅｒ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｄｕｃｉｎｇ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｎｅｃｋ ａｎｄ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｐｏｗｄｅｒ ｗｉｔｈ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄ ＴＣ４ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｐｏｗｄｅｒ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗａｓ ｃｈａｎｇｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｖｏｌｕｍｅ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｖｏｌｕｍｅ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ａｎｄ ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ．Ａｎｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄ ＴＣ４ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｐｏｗｄｅｒ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄ ＴＣ４ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｐｏｗｄｅｒ ｂｙ ｄｉｅ ｆｏｒｍｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｗａｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ｅｆｆｅｃｔｉｎｇ ｓｉｎｔｅｒｅｄ ｂｏｄｙ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎａ— ｔｅｄ ＴＣ４ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｐｏｗｄｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄ ＴＣ４ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｐｏｗｄｅｒ；ｄｉｅ ｆｏｒｍｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ；ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｋｉｎｅｔｉｃｓ
