CN103551574A - 一种含氮的钛基合金的粉末冶金制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种含氮的钛基合金的粉末冶金制备方法，属于粉末冶金材料制备技术领域。采用纯钛粉或者钛合金粉末，通过高温固态渗氮—活化烧结的方法，制备高性能的含氮的钛合金。其制备过程为：1）把纯钛粉或者钛合金粉在流动的氮气环境下的高温中进行固态渗氮处理，然后冷却；2）把高温渗氮的粉末在热压烧结炉中或等离子烧结炉中活化烧结成块。本发明通过合理的微观结构设计，充分利用廉价氮的强化作用，制备出成分简单、价格低廉的含氮的钛合金，可节约资源，降低成本。本发明同时工艺简单，可适合于工业化生产。

Description

一种含氮的钛基合金的粉末冶金制备方法

技术领域

本发明涉及一种含氮的钛基合金的粉末冶金制备方法。属于粉末冶金结构材料制备领域。

背景技术

钛及其合金因其具有轻质高强、热强性好、耐蚀性和生物相容性优异等优点，在航空航天等军用和民用领域获得了日益广泛的应用。固溶强化是目前钛合金主要的强化方式之一。文献表明，0.2wt.%的氮能使纯钛拉伸屈服强度从180MPa提高到670MPa，其强化效果远高于其他常用的Al、Ag、Zr、Mo等合金化元素【钛合金在俄罗斯飞机及航空航天上的应用，航空工业出版社，2008年，p2】。氮在Ti中的最大固溶度为7wt.%（质量分数，下同）。由于氮存在于钛基体中，通常有2种形式，一种是固溶在基体合金中，形成含氮的固溶体，这对基体金属是具有良好的固溶强化效果的；另一种是与基体金属形成氮化物夹杂，严重损害基体金属的塑性。而现有技术无法控制氮存在于钛基体中的具体形式，因此，为保持金属钛的良好塑性，通常工业纯钛中的氮含量被严格控制在0.2wt.%以下；导致作为固溶体强化效果显著的氮元素的强化效果没有得到充分的利用。另外，在通常的粉末冶金领域中，由于氮会使材料断裂韧性、低温韧性、疲劳性能、耐蚀性、冷成型性和可焊性等变坏，因此，氮通常作为一种有害元素，其含量也是被严格控制的。

目前，钛氮合金的生产工艺复杂，且大多技术被外国封锁，我国在钛氮合金研究方面虽然有所发展，生产工艺仍然复杂，污染严重，浪费了大量资源。中国专利“一种钛氮合金的制备方法”（公开号CN102976296A，公开日2013年3月20日）公开了一种：将钛白粉、固体还原剂按摩尔比1:n均匀混合成型(1≤n≤1.5),所得物料放入氮气保护气氛的回转窑、用隧道窑或辊道窑反应器中，于1300-1500℃高温下反应烧结6-10小时,这种方法制备的钛氮合金工艺复杂，烧结时间长，成本较高。王宏伟等将海绵钛和TiN粉末混合在真空水冷铜坩埚非自耗电弧炉中熔炼，制备出含氮的铸造钛氮合金，但该合金的氮含量较低，含量(质量分数)只有0.045%一0.27%，没有充分利用氮的固溶强化作用（王宏伟,米国发,尹冬松,朱兆军,曾松岩.钛氮合金的铸态组织与性能，材料科学与工艺，2005,13(4):438-441）。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术之不足而提供一种工艺简单，成本低的含氮的钛基合金的粉末冶金制备方法。所生产出的含氮钛合金具有良好的致密度，产品质量综合性能优良。

本发明一种含氮的钛基合金的粉末冶金制备方法，包括下述步骤：

步骤一：将纯钛粉或钛合金粉置于含氮环境下加热至900～1100℃下保温10-60min，获得颗粒表面含氮的纯钛粉或钛合金粉；

步骤二：将步骤一中所得的含氮纯钛粉或钛合金粉在真空热压烧结炉或等离子烧结炉中进行烧结；得到含氮的粉末冶金钛氮合金；

其中：热压烧结炉的烧结工艺参数为：烧结压力5MPa～50MPa，烧结温度1100～1400℃，烧结时间30～180min；

等离子烧结炉的烧结工艺参数为：烧结压力20MPa～50MPa，烧结温度1000～1200℃，烧结时间5～15分钟。

本发明一种含氮的钛基合金的粉末冶金制备方法，所述含氮环境是指环境中氮气浓度的体积分数不低于95%。

本发明一种含氮的钛基合金的粉末冶金制备方法，所述纯钛粉或钛合金粉的粒度为5μm-150μm。

本发明一种含氮的钛基合金的粉末冶金制备方法，所述纯钛粉的纯度≥99%。

本发明一种含氮的钛基合金的粉末冶金制备方法，所述含氮纯钛粉或钛合金粉盛装在石墨模具中进行烧结。

本发明的机理简述如下：

本发明采用在流动的氮气环境下的高温固态渗氮方法制备含氮的钛合金粉，然后通过热压活化烧结或等离子活化烧结方法，制备成块体含氮钛合金材料，合金中氮含量较高。通过对粉末在500～700℃下保温10-60min进行高温固态表面渗氮处理，实现了在钛粉末表面的渗氮，而严格控制渗氮处理温度在500～700℃，可以确保渗氮过程中不会生成钛的氮化物夹杂；然后利用真空热压烧结或等离子活化烧结方法在1000～1400℃下保温5-180min制备成致密度超过98％的块体材料，通过高温固态扩散的方法，在微米尺度纯钛粉或钛合金粉颗粒表面构建含氮固溶体壳层结构，形成粉末表面固溶氮而粉末中间保持原来状态的核壳结构，每个核壳钛晶粒中，壳提供足够强度，核保持加工硬化能力，这样就可以实现核与壳的功能复合与互补，保证采用活化烧结的方法制备的粉末冶金块体钛合金材料具备高强度的同时兼具一定塑性。本发明充分利用了氮的固溶强化作用，同时减弱其对塑性的损害，制备出成分简单、价格低廉的钛氮合金，对高性能低成本钛合金的研发具有积极的推动作用。

与现有技术相比，本发明通过合理的微观结构设计，充分利用廉价氮的强化作用，制备出成分简单、价格低廉的高强度含氮的钛合金，可节约资源，降低成本。烧结体合金的抗压缩强度超过1400MPa，致密度超过98％。

综上所述，本发明工艺简单，成本低；制备的钛合金具有良好的致密度，产品质量综合性能优良，具有高强度高塑性特点，适于工业化生产。

具体实施方式

结合本发明的方法提供以下实例：

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以下本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程。

本发明实施例以及对比例中，制备的材料的抗压缩强度采用室温单向压缩方法测定；塑性采用压缩率表示，即采用压缩变形前后试样高度的变化率表示；致密度采用排水法测定；氮含量采用还原法测定。

对比例1

把平均粒度为100μm的Ti-6Al-4V（质量分数，下同）（纯度为99%）合金粉装于石墨模具中，放置在热压烧结炉中进行烧结，烧结压力为20MPa，烧结时间180min，烧结温度为1300℃。烧结后块体材料的抗压缩强度为1310MPa，压缩率为2.3%，排水法测试得到烧结体的致密度为98.5％，块体材料中氮含量为0.05%（质量分数，下同）。

对比例2

把平均粒度为50μm的纯钛粉（纯度为99%）装于石墨模具中，放置在热压烧结炉中进行烧结，烧结压力为25MPa，烧结时间180min，烧结温度为1400℃。烧结后块体材料的抗压缩强度为1030MPa，压缩率为3.1%，烧结体的致密度为99.2％，块体材料中氮含量为0.03%。

实施例1

把平均粒度为50μm的纯钛粉（纯度超过99%）在氮气浓度不低于95%的环境下于900℃保温60分钟进行高温固态渗氮处理，粉末冷却后。把粉末装于石墨模具中，放置在热压烧结炉中进行烧结，烧结压力为50MPa，烧结时间30min，烧结温度为1100℃。烧结后块体材料的抗压缩强度为1405MPa，压缩率为4.1%，烧结体的致密度为98.0％，块体材料中氮含量为1.1%。

实施例2

把平均粒度为150μm的纯钛粉（纯度超过99%）在氮气浓度不低于95%的环境下1000℃保温10分钟进行高温固态渗氮处理，粉末冷却后。把粉末装于石墨模具中，放置在等离子烧结炉中进行烧结，烧结压力为50MPa，烧结时间5min，烧结温度为1100℃。烧结后块体材料的抗压缩强度为1680MPa，压缩率为3.7%，烧结体的致密度为99.3％，块体材料中氮含量为1.8%。

实施例3

把平均粒度为5μm的纯钛粉（纯度超过99%）在氮气浓度不低于95%的环境下于1100℃保温35分钟进行高温固态渗氮处理，粉末冷却后。把粉末装于石墨模具中，放置在热压烧结炉中进行烧结，烧结压力为25MPa，烧结时间180min，烧结温度为1200℃。烧结后块体材料的抗压缩强度为1715MPa，压缩率为4.2%，烧结体的致密度为98.7％，块体材料中氮含量为2.4%。

实施例4

把平均粒度为50μm的Ti-6Al-4V合金粉在氮气浓度不低于95%的环境于900℃保温45分钟进行高温固态渗氮处理，粉末冷却后。把粉末装于石墨模具中，放置在热压烧结炉中进行烧结，烧结压力为30MPa，烧结时间120min，烧结温度为1350℃。烧结后块体材料的抗压缩强度为1751MPa，压缩率为4.0%，烧结体的致密度为99.1％，块体材料中氮含量为1.9%。

实施例5

把平均粒度为100μmTi-10V-2Fe-3Al合金粉在氮气浓度不低于95%的环境下于1100℃保温20分钟进行高温固态渗氮处理，粉末冷却后。把粉末装于石墨模具中，放置在热压烧结炉中进行烧结，烧结压力为25MPa，烧结时间120min，烧结温度为1400℃。烧结后块体材料的抗压缩强度为1835MPa，抗压缩率3.8%，烧结体的致密度为99.1％，块体材料中氮含量为1.7%。

实施例6

把平均粒度为50μmTi-5Al-4Mo-3V-1Ag合金粉在氮气浓度不低于95%的环境下于1000℃保温60分钟进行高温固态渗氮处理，粉末冷却后。把粉末装于石墨模具中，放置在等离子烧结炉中进行烧结，烧结压力为50MPa，烧结时间15min，烧结温度为1200℃。烧结后块体材料的抗压缩强度为1729MPa，压缩率为2.8%，烧结体的致密度为99.3％，块体材料中氮含量为1.9%。

实施例7

把平均粒度为150μmTi-6Al-4V合金粉在氮气浓度不低于95%的环境下于1000℃保温30分钟进行高温固态渗氮处理，粉末冷却后。把粉末装于石墨模具中，放置在等离子烧结炉中进行烧结，烧结压力为30MPa，烧结时间10min，烧结温度为1100℃。烧结后块体材料的抗压缩强度为1827MPa，压缩率为2.9%，烧结体的致密度为99.5％，块体材料中氮含量为2.3%。

从以上实施例及对比例得到的性能参数可知：本发明的方法充分利用了廉价氮的固溶强度，所制备的含氮的钛合金中氮含量较高，具有高的抗压缩强度与高压缩率的特点。

Claims (7)

1.一种含氮的钛基合金的粉末冶金制备方法，包括下述步骤： 

步骤一：将纯钛粉或钛合金粉置于含氮环境下加热至900～1100℃下保温10-60min，获得颗粒表面含氮的纯钛粉或钛合金粉； 

步骤二：将步骤一中所得的含氮纯钛粉或钛合金粉在真空热压烧结炉或等离子烧结炉中进行烧结；得到含氮的粉末冶金钛氮合金。 

2.根据权利要求1所述的一种含氮的钛基合金的粉末冶金制备方法，其特征在于：所述含氮环境是指环境中氮气浓度的体积分数≥95%。 

3.根据权利要求1所述的一种含氮的钛基合金的粉末冶金制备方法，其特征在于：所述纯钛粉或钛合金粉的粒度为5μm-150μm。 

4.根据权利要求1所述的一种含氮的钛基合金的粉末冶金制备方法，其特征在于：所述纯钛粉的纯度≥99%。 

5.根据权利要求1所述的一种含氮的钛基合金的粉末冶金制备方法，其特征在于：所述含氮纯钛粉或钛合金粉盛装在石墨模具中进行烧结。 

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种含氮的钛基合金的粉末冶金制备方法，其特征在于：热压烧结炉的烧结工艺参数为：烧结压力5MPa～50MPa，烧结温度1100～1400℃，烧结时间30～180min。 

7.根据权利要求1-5任意一项所述的一种含氮的钛基合金的粉末冶金制备方法，其特征在于：等离子烧结炉的烧结工艺参数为：烧结压力20MPa～50MPa，烧结温度1000～1200℃，烧结时间5～15分钟。