CN103170631B - 一种制备小尺寸、薄壁Nb-W-Mo-Zr合金零件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于粉末冶金技术领域，涉及一种铌合金零件的制备方法，尤其涉及一种小尺寸、薄壁Nb-W-Mo-Zr合金零件的制备方法。该方法以经过机械合金化和等离子球化处理的微细球形Nb-W-Mo-Zr合金粉末为原料，采用注射成形的方法制备了长度不大于30mm、宽度不大于5mm、薄壁厚度不大于1mm、尺寸公差不大于0.09%、内有台阶和圆弧结构的小尺寸、薄壁Nb-W-Mo-Zr合金零件。本发明克服了传统的铌合金零件制造方法普遍存在的材料利用率低、污染大、难以制备复杂形状零部件、生产效率低等缺陷，适合大批量制备尺寸微小、形状复杂的Nb-W-Mo-Zr合金零件。
Description
技术领域
本发明属于粉末冶金技术领域，涉及一种铌合金零件的制备方法，尤其涉及一种小尺寸、薄壁Nb-W-Mo-Zr合金零件的制备方法。
背景技术
由于具有优异的高温力学性能和特殊的物理化学性能，铌基合金被广泛应用于宇航、原子能及超导领域，被认为是最有前途的可在1500K以上的高温环境中应用的结构材料。Nb-W-Mo-Zr合金作为我国航空航天用的主流铌合金结构材料，被广泛应用于制造火箭发动机喷嘴、燃烧室、导弹尾翼等零件。
目前，绝大多数铌合金都是采用传统工艺制备的，包括熔炼、铸造、压力加工、焊接等众多工序，存在材料利用率低、污染大、难以制备复杂形状零部件且生产效率低等不足。尤其对于制造尺寸仅有10-30mm、壁厚不足1mm且带有盲孔、台阶、沟槽、圆弧等复杂结构的小尺寸铌合金零部件来讲，传统加工方法的制备难度很大。
粉末注射成形技术( Powder Injection Molding，PIM) 是由传统粉末冶金工艺结合现代塑料注射成型技术发展形成的新技术，主要包括四个工序：将粉末与高分子粘结剂均匀混合在一起形成喂料、将喂料注射到根据最终产品设计的模具中形成注射坯、对成形后的注射坯进行溶脱和热脱以去除高分子粘结剂、将脱脂后的坯体进一步烧结得到致密的零件。作为新兴的粉末冶金技术，金属粉末注射成形（MIM）可以近净成形金属零部件，尤其适合大批量制造尺寸微小、结构复杂的精细零件。
金属粉末注射成形技术对粉末的形状、粒度、流动性等指标有特殊要求。良好的球形度、合适的粉末粒度、高的流动性是制备高质量的注射成形喂料的关键，可以提高喂料装载量、保证注射坯的各向同性和烧结过程中的均匀收缩，从而减小零件变形、保证尺寸精度。一般来讲，最适合注射成形用的金属粉末应为20μm左右的球形粉末，而对于制备结构特别复杂的薄壁零件，粉末的粒径需要更加细小。
而由于铌的熔点高（2460℃）、活性大（易与合金元素、间隙式原子碳、氧、氮等反应），铌合金粉末的制备一直是制约粉末冶金铌合金生产的一大技术瓶颈。目前较高纯度铌合金粉末的制备方法主要有氢化-去氢化法、离子旋转电极法、电子束雾化、电子束快速凝固及机械合金化法。而用这几种方法生产的铌合金粉末要么形状不规则，要么颗粒粗大，不能满足注射成形工艺在制备尺寸微小、具有薄壁结构的零件时对粉末的需求。
由于受到铌合金粉末生产技术的制约， 国内外MIM铌合金的相关研究都很少见。在有限的几篇关于MIM铌合金的文献中，都是利用形状不规则的氢化-去氢化或者球磨粉末为原料制备形状简单、尺寸较大的试样。微小、薄壁铌合金注射成形零件的报道并未发现。
机械合金化法是将配比好的元素粉末及磨球置于充满惰性气体的球磨罐中进行高能球磨。利用磨球对粉末的猛烈撞击来强制输入能量，使粉末之间不断重复变形、冷焊、破碎等过程，促进元素间的扩散，形成合金粉末。该方法生产的粉末粒度虽然细小，但形状不是球形，流动性差，不适合用于制备注射成形微细、薄壁零件。射频等离子（RF）体球化技术，是将形状不规则的粉末颗粒由携带气体通过加料枪喷入等离子体炬中，在等离子体炬的高温环境中迅速熔化，熔融的颗粒在表面张力作用下形成球形度很高的液滴，并在极高的温度梯度下迅速凝固，形成球形粉末。
将机械合金化与射频等离子球化工艺结合，可以制备出细小的球形粉末，可满足注射成形工艺对粉末的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用注射成形工艺制备小尺寸、薄壁Nb-W-Mo-Zr合金零件的方法。该方法制备的铌基合金零件尺寸精度高、可以免于机械加工或少加工。
本发明的生产流程如图1所示：
第一步，采用一种经机械合金化和等离子球化处理的平均粒径在20μm以下的微细球形Nb-W-Mo-Zr合金粉末为原料；
第二步，将合金粉末与粘结剂制成装载量在50-75vol%之间喂料；
第三步，将喂料通过注射成形机充入到模具中获得注射坯；
第四步，对注射坯进行初步检测，去除飞边缺陷；
第五步，将修完飞边的合格注射坯放入有机溶液中进行7-10h的溶脱，获得溶脱坯；
第六步，将热脱坯放入真空脱脂烧结炉中在0-1500℃下进行1-10h的初步烧结，获得热脱坯；
第七步，对热脱坯进行检查，剔除不合格产品，进一步去除飞边；
第八步，将修整后的热脱坯放入高真空炉中在1700-2400℃下进行2-10h的烧结，获得烧结坯；
第九步，将烧结坯放入热等静压机中，在1300-1700℃、250-350MPa下进行2-5h的热等静压烧结，获得热等静压零件。
第十步，对热等静压零件进行检测、精修和包装，所述的小尺寸、薄壁Nb-W-Mo-Zr合金零件尺寸长度不大于30mm，宽度不大于5mm，薄壁厚度不大于1mm、内有台阶和圆弧结构，尺寸公差不大于0.09%。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
第一步，采用经机械合金化和等离子球化工艺制备的平均粒径为15μm的球形Nb-5wt%W-2wt%Mo- 1wt%Zr合金粉末为原料；
第二步，将合金粉末与与粘结剂（成分为65wt%的石蜡、13wt%的高密度聚乙烯、16wt%的聚丙烯、6wt%的硬脂酸）制备成装载量为58vol%的喂料；
第三步，将喂料通过注射成形机充入到模具中获得注射坯，注射温度为155-165℃，注射压力为65-70MPa，保压压力为75-80MPa，注射速度为55-60mm/s；
第四步，对注射坯进行初步检测，去除飞边；
第五步，将修完飞边的合格注射坯放入三氯乙烯溶液中进行8h的溶脱，获得溶脱坯；
第六步，将溶脱坯放入真空脱脂烧结炉中分别在140℃、280℃、500℃各保温1h，然后迅速升温至1300℃保温2h，获得热脱坯；
第七步，对热脱坯进行检查，剔除不合格产品，进一步去除飞边；
第八步，将休整后的热脱坯放入高真空炉中在1700℃下保温2h，然后慢速升温到2300℃保温6h，获得密度在95%以上的烧结坯；
第九步，将烧结坯放入热等静压机中在1500℃、300MPa下保温3h，获得致密度在99%以上的热等静压零件；
第十步，对热等静压零件进行检测、精修、并包装，得到的Nb-5wt%W-2wt%Mo- 1wt%Zr合金零件尺寸长度不大于30mm，宽度不大于5mm，薄壁厚度不大于1mm、内有台阶和圆弧结构，尺寸公差不大于0.09%。
Claims (2)
1.一种制备小尺寸、薄壁Nb-W-Mo-Zr合金零件的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
第一步，采用一种经机械合金化和等离子球化处理的平均粒径在20μm以下的微细球形Nb-W-Mo-Zr合金粉末为原料；
第二步，将合金粉末与粘结剂制成装载量在50-75vol％之间喂料；
第三步，将喂料通过注射成形机充入到模具中获得注射坯；
第四步，对注射坯进行初步检测，去除飞边缺陷；
第五步，将修完飞边的合格注射坯放入有机溶液中进行7-10h的溶脱，获得溶脱坯；
第六步，将溶脱坯放入真空脱脂烧结炉中在140-1500℃下进行1-10h的初步烧结，获得热脱坯；
第七步，对热脱坯进行检查，剔除不合格产品，进一步去除飞边；
第八步，将修整后的热脱坯放入高真空炉中在1700-2400℃下进行2-10h的烧结，获得烧结坯；
第九步，将烧结坯放入热等静压机中，在1300-1700℃、250-350MPa下进行2-5h的热等静压烧结，获得热等静压零件；
第十步，对热等静压零件进行检测、精修和包装；所述的小尺寸、薄壁Nb-W-Mo-Zr合金零件尺寸长度不大于30mm，宽度不大于5mm，薄壁厚度不大于1mm、内有台阶和圆弧结构，尺寸公差不大于0.09％。
2.根据权利要求1所述的方法，制备Nb-5wt％W-2wt％Mo-1wt％Zr零件，其特征在于，该方法具体为：
第一步，采用经机械合金化和等离子球化工艺制备的平均粒径为15μm的球形Nb-5wt％W-2wt％Mo-1wt％Zr合金粉末为原料；
第二步，将合金粉末与与粘结剂制备成装载量为58vol％的喂料，粘结剂成分为65wt％的石蜡、13wt％的高密度聚乙烯、16wt％的聚丙烯、6wt％的硬脂酸；
第三步，将喂料通过注射成形机充入到模具中获得注射坯，注射温度为155-165℃，注射压力为65-70MPa，保压压力为75-80MPa，注射速度为55-60mm/s；
第四步，对注射坯进行初步检测，去除飞边；
第五步，将修完飞边的合格注射坯放入三氯乙烯溶液中进行8h的溶脱，获得溶脱坯；
第六步，将溶脱坯放入真空脱脂烧结炉中分别在140℃、280℃、500℃各保温1h，然后迅速升温至1300℃保温2h，获得热脱坯；
第七步，对热脱坯进行检查，剔除不合格产品，进一步去除飞边；
第八步，将休整后的热脱坯放入高真空炉中在1700℃下保温2h，然后慢速升温到2300℃保温6h，获得密度在95％以上的烧结坯；
第九步，将烧结坯放入热等静压机中在1500℃、300MPa下保温3h，获得致密度在99％以上的热等静压零件；
第十步，对热等静压零件进行检测、精修、并包装。
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