中科院过程工程所Metall. Mater. Trans. A：核壳Ti@Ni粉末的烧结反应和等轴α-Ti晶粒形成

【引言】

粉末烧结是一种非常传统的制备工艺。烧结过程中，对于温度、时间和压力等因素等的控制，对合金的致密度、相结构和性能具有决定性作用。烧结过程中通常发生元素扩散和化学反应。如何控制烧结过程中元素的物理和化学活动呢？本文对比了单纯的Ti和Ni粉末混合烧结和核壳状Ti@Ni粉末烧结后，材料的显微结构和力学性能，找到了其最佳工艺。这对于粉末烧结工艺的应用和调控具有重要意义，促进了粉末烧结工艺在合金制备中的应用。

【成果简介】

近日，中国科学院过程工程研究所的杨亚锋（通讯）作者等人，使用Ti@Ni核壳粉为原料，与单质粉末混合物相比，有利于提高烧结致密度，获得线性收缩响应，形成等轴a-Ti晶粒并减少氧污染。虽然增强的烧结致密化是提高拉伸强度的原因，但是等轴a-Ti晶粒形成，低氧增量和降低的孔隙率含量的组合也显着地提高了拉伸延展性。线性收缩响应对于精确控制烧结部件的尺寸是有利的。本文详细讨论了Ti@Ni核壳粉末中，Ni的独特溶解象对性能的影响机制。相关成果以“Sintering Response and Equiaxed α-Ti Grain Formation in the Ti Alloys Sintered from Ti@Ni Core-Shell Powders”为题发表在Minor Metals Trade Association上。

【图文导读】

图1 Ti包覆Ni前后的XRD谱图

图2不同Ni含量的Ti@Ni的SEM图

（a，b）Ti@Ni中Ni含量为0.89 wt pct的SEM图；

（c，d）Ti@Ni中Ni含量为2.12 wt pct的SEM图；

（e，f）Ti@Ni中Ni含量为3.45 wt pct的SEM图；

（g，h）Ti@Ni中Ni含量为4.32 wt pct的SEM图。

图3混合物元素粉末和核壳Ti@Ni粉末烧结后，烧结密度和Ni含量的函数关系图

图4核壳Ti@3.45Ni粉末和Ti-3.45Ni元素粉末混合物的压坯的烧结响应图

图5不同Ni含量的Ti-Ni和Ti@Ni粉末烧结后的光学图

图6 Ni含量与Ti-Ni合金的拉伸强度和延伸率的关系图

（a）采用元素粉末和Ti@Ni粉末混合烧结后，Ni含量与Ti-Ni合金的拉伸强度关系图；

（b）将元素粉末和Ti@Ni粉末混合烧结后，Ni含量与Ti-Ni合金的延伸率关系图。

图7不同Ni含量的Ti@Ni粉末制备的Ti-Ni合金的端口SEM图

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

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

图8元素粉末和Ti@Ni粉末的DSC和XRD图

（a）Ni含量为3.45 wt pct时，元素粉末和Ti@Ni粉末的DSC图；

（b）Ni含量为3.45 wt pct时，元素粉末和Ti@Ni粉末的XRD谱图。

图9元素粉末烧结后的SEM和线性EDS图

（a）元素粉末1273K烧结10 min后的SEM和线性EDS图；

（b）元素粉末1373K烧结10 min后的SEM图。

图10核壳粉末热处理后的SEM图

（a，b）核壳粉末在1023 K下，保温10 min后的SEM图；

（c，d）核壳粉末在1153 K下，保温10 min后的SEM图。

【小结】

本文通过化学镀成功制备了Ti@Ni核壳粉末。涂覆在Ti粉末上的Ni颗粒是纳米尺寸的，因此在烧结的最初阶段Ni可以扩散到Ti中。Ni的主要溶解发生在α-Ti区域，并在α/β转变温度下完成。这比元素粉末混合物的[1373 K和1473 K]温度低得多，因此具有更高的收缩率。独特的溶解促进了在β-Ti中Ni的快速均匀化，产生了正的线性收缩响应。在冷却过程中形成均匀沉淀的共析物，阻碍α-Ti的生长，进而形成等轴晶粒。涂覆的Ni层能够防止氧气从外部引入，进而减少氧气增量。虽然增强的烧结致密化是提高拉伸强度的原因，但是等轴α-Ti晶粒形成，低氧增量和降低的孔隙率含量的组合，使合金延伸率提高了两倍。线性收缩响应有利精确控制烧结部件的尺寸。涂层Ni含量为3.45％ wt pct为最优值，一旦超过这个值，就会形成了过多的脆性共析物，并大大降低了材料拉伸延展性

文献链接：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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