CN103586468A - 一种TiAl合金粉末近净成型的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种TiAl合金粉末近净成型的方法,该方法特别适用于TiAl合金粉末成型。该方法首先将制备所需成形构件的蜡模,然后利用粘结剂及氧化物陶瓷粉末配制涂料,将涂料涂覆到蜡模表面,经过干燥、脱蜡、烧结处理得到具有一定厚度、强度及高温塑性的陶瓷模;将TiAl合金粉末填入陶瓷模当中并振实,再将陶瓷模置入金属包套当中,并在金属包套与陶瓷模之间填充金属氧化物砂,然后将金属包套抽真空并封焊,最后对金属包套进行热等静压,陶瓷模在高温高压作用下塑性变形收缩,使TiAl合金粉末被压缩致密化而成形出所需形状的构件。该方法能实现复杂结构构件近净成形,组织细小均匀,不出现冶金缺陷,且成形温度低,避免了金属与陶瓷模之间的界面反应。
Description
技术领域
本发明是一种TiAl合金粉末近净成型的方法,属于粉末冶金领域。
背景技术
TiAl合金具有密度小、高温力学性能好及高温抗氧化能力较强等特点,使用温度可达860℃以上,是优良的结构材料。但阻碍其大规模应用的瓶颈在于其室温塑性和难加工性。TiAl合金熔融液体的流动性差,采用传统的铸造工艺存在其铸件中存在大量气孔和疏松,且铸态组织晶粒粗大,浇铸后产品的室温延性低,实际应用受到限制。而锻造可以使组织性能得到很好的改善,但对于一些复杂结构的构件,使用锻造成形也存在困难。粉末冶金工艺可以很好的解决这些问题,它不仅实现了近净成形,而且避免了铸造所带来的缺陷和成分偏析,随着高性能粉末制备和致密化工艺的改进,粉末冶金TiA1合金的室温脆性问题已基本解决,力学性能接近于锻造合金。
目前,研究较为广泛的金属粉末近净成形方法主要分为热等静压成形、激光烧结成形、喷射成形、注射成形、压制成形等。专利200610019368及200610125223介绍了激光烧结成形结合热等静压处理,能够快速制造成整体,完全致密构件;专利201010604451提供一种单向压制结合烧结的方法成形金属靶材的方法,能大幅度提高产品纯度。热等静压成形由于能够一次性实现材料的全致密,工艺较成熟,是一种理想的粉末成型方法,专利200880117256采用石墨模具进行热等静压,可成形2米长的构件;专利200980109812提供一种热等静压用型芯及其使用方法,用于成形要求精确内腔结构构件。文献方面,“316L粉末热等静压致密化过程数值模拟”模拟了粉末包套热等静压的变形过程,“热压金属粉末变形机构探讨”探讨了该过程中粉末收缩变形理论。
利用粉末热等静压不仅能够实现材料的净近成形,而且一次性实现粉末的全致密,性能好,在成形结构复杂,加工难度大的材料方面具有较大的优势,应用前景广阔。塑性陶瓷是一种新型的陶瓷材料,在高温和压力作用下能够发生塑性变形。陶瓷化学惰性好,与金属材料在高温下几乎不发生反应,在金属材料热成形领域广泛应用。
发明内容
本发明利用陶瓷模在高温高压作用下产生收缩变形,实现陶瓷模内部TiAl合金粉末的收缩致密化而成型得到所需形状的构件。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
该种TiAl合金粉末近净成型的方法,该方法首先制备塑性陶瓷模和金属包套,然后在塑性陶瓷模内填充TiAl合金粉末,将已经填充TiAl合金粉末的塑性陶瓷模装入金属包套中,焊好金属包套的上端盖,进行热等静压成形,其特征在于:在塑性陶瓷模与金属包套之间填充陶瓷粉末,并振实,然后对金属包套内进行高温脱气处理,处理温度为300~700℃,处理真空度为10-2~10-5Pa;
所述陶瓷粉末为氧化钇砂、氧化锆砂或氧化铝砂,粒度范围为0.1mm~1mm;
TiAl合金粉末平均粒度范围为20~200微米。
热等静压成形时,应首先升高温度到750℃~850℃,然后升高压力至100~200MPa,升压速率为0.1~5MPa/min,之后继续升高温度至1100℃~1350℃,升温速率为1~20℃/min,并保温1~6小时。
制备金属包套的材料为304不锈钢、低碳钢或纯钛金属。
塑性陶瓷模制备的过程是:首先制备出所需成型形状的蜡模,然后将金属氧化物粉末及粘结剂按照一定比例均匀混合配制成涂料,将调制好的涂料多次均匀的涂覆到蜡模表面,经过干燥、脱蜡、烧结处理,得到具有一定空腔形状、厚度和强度的陶瓷模壳;
热等静压成形后,将金属包套冷却取出,使用机加工方法剥离金属外包套,清除陶瓷粉及陶瓷模,吹沙处理后得到所需成形的构件。
本发明技术方案的优点是:一次性实现TiAl合金粉末的全致密;相对于传统热等静压成形工艺成本低、易于脱模;采用蜡模造型,可制造出较复杂的形状、制作难度低;以陶瓷材料为模具,与TiAl合金粉末反应性低、对压坯形状适应性好、易剥离,适合生产复杂形状粉零部件。
具体实施方式
实施例1
选择直径15mm,长80mm的圆棒为预成型构件进行陶瓷模热等静压成形,实施步骤如下:
1.制备圆棒蜡模;将质量百分含量分别为68%、30%及2%的氧化铝粉、二氧化硅和二氧化钛粉均匀混合,然后按照粉液质量百分比2:1加入硅溶胶,搅拌均匀配制成涂料;将调制好的涂料均匀涂覆到蜡模表面,干燥2小时;重复进行涂料和干燥步骤6次,干燥24小时后脱蜡,在1100℃烧结处理,冷却后得到陶瓷模;
2.采用低碳钢制备厚度为3mm,直径为50mm,高为120mm的金属包套;
3.将平均粒度20微米的钛铝合金粉末填充进入陶瓷模当中并振实,然后将已经填充钢粉的陶瓷模中装入不锈钢包套中间,并在陶瓷模周围填充平均粒径为1mm的氧化锆砂,振实;
4.焊接好金属包套端盖,对包套在300℃进行脱气处理,真空度达到10-2Pa,并封焊抽气管;
5.将封焊好的金属包套进行热等静压,先升温至800℃,再缓慢升压至100MPa,升压速率2MPa/min,然后升温至1100℃,升温速率为10℃/min,保温2小时;
6.冷却取出后,使用机加工方法剥离金属包套,清除陶瓷粉及陶瓷模,吹沙处理后得到完整成形的圆棒试样。
实施例2
选择直径15mm,长80mm的圆棒为预成型构件进行陶瓷模热等静压成形,实施步骤如下:
1.制备圆棒蜡模;将质量百分含量分别为70%、30%的氧化钇粉、氧化锆粉均匀混合,然后按照粉液质量百分比2:1加入钇溶胶,搅拌均匀配制成涂料;将调制好的涂料均匀涂覆到蜡模表面,干燥2小时;重复进行涂料和干燥步骤6次,并干燥24小时后脱蜡,在1450℃烧结处理,冷却后得到陶瓷模;
2.采用304不锈钢制备厚度为3mm,直径为50mm,高为120mm的金属包套;
3.将平均粒度200微米的TiAl合金粉末填充进入陶瓷模当中并振实,然后将已经填充钢粉的陶瓷模中装入不锈钢包套中间,并在陶瓷模周围填充平均粒径为0.5mm的氧化钇砂,振实;
4.焊接好金属包套端盖,对包套在700℃进行脱气处理,真空度达到10-4Pa,并封焊抽气管;
5.将封焊好的金属包套进行热等静压,先升温至750℃,再缓慢升压至200MPa,升压速率0.1MPa/min,然后升温至1200℃,升温速率为1℃/min,保温4小时;
6.冷却取出后,使用机加工方法剥离金属包套,清除陶瓷粉及陶瓷模,吹沙处理后得到完整成形的圆棒试样。
实施例3
选择直径15mm,长80mm的圆棒为预成型构件进行陶瓷模热等静压成形,实施步骤如下:
1.制备圆棒蜡模;将质量百分含量分别为95%、5%的氧化锆粉、二氧化钛粉均匀混合,然后按照粉液质量百分比2:1加入锆溶胶,搅拌均匀配制成涂料;将调制好的涂料均匀涂覆到蜡模表面,干燥2小时;重复进行涂料和干燥步骤6次,干燥24小时后脱蜡、在1500℃烧结处理,冷却后得到陶瓷模;
2.采用304不锈钢制备厚度为3mm,直径为50mm,高为120mm的金属包套;
3.将平均粒度100微米的钛铝合金粉末填充进入陶瓷模当中并振实,然后将已经填充钢粉的陶瓷模中装入不锈钢包套中间,并在陶瓷模周围填充平均粒径为0.1mm的氧化铝砂,振实;
4.焊接好金属包套端盖,对包套在400℃进行脱气处理,真空度达到10-3Pa,并封焊抽气管;
5.将封焊好的金属包套进行热等静压,先升温至850℃,再缓慢升压至100MPa,升压速率5MPa/min,然后升温至1350℃,升温速率为20℃/min保温4小时;
6.冷却取出后,使用机加工方法剥离金属包套,清除陶瓷粉及陶瓷模,吹沙处理后得到完整成形的圆棒试样。
实施例4
选择直径15mm,长80mm的圆棒为预成型构件进行陶瓷模热等静压成形,实施步骤如下:
1.制备圆棒蜡模;将以质量百分含量分别为80%、15%及5%的二氧化硅粉、氧化铝及二氧化钛粉均匀混合,然后按照粉液质量百分比2:1加入锆溶胶,搅拌均匀配制成涂料;将调制好的涂料均匀涂覆到蜡模表面,干燥2小时;重复进行涂料和干燥步骤6次,干燥24小时后脱蜡,在1100℃烧结处理,冷却后得到陶瓷模;
2.采用纯钛制备厚度为3mm,直径为50mm,高为120mm的金属包套;
3.将平均粒度45微米的钛铝合金粉末填充进入陶瓷模当中并振实,然后将已经填充钢粉的陶瓷模中装入不锈钢包套中间,并在陶瓷模周围填充平均粒径为0.5mm的氧化钇砂,振实;
4.焊接好金属包套端盖,对包套在500℃进行脱气处理,真空度达到10-4Pa,并封焊抽气管;
5.将封焊好的金属包套进行热等静压,先升温至800℃,再缓慢升压至170MPa,升压速率3MPa/min,然后升温至1250℃,升温速率为5℃/min,保温4小时;
6.冷却取出后,使用机加工方法剥离金属包套,清除陶瓷粉及陶瓷模,吹沙处理后得到完整成形的圆棒试样。
与现有技术相比,该发明方法更适用于成形熔点温度高,加工难度大的TiAl合金,是生产形状复杂粉末冶金零部件的理想方法。
Claims (3)
1.一种TiAl合金粉末近净成型的方法,该方法首先制备塑性陶瓷模和金属包套,然后在塑性陶瓷模内填充TiAl合金粉末,将已经填充TiAl合金粉末的塑性陶瓷模装入金属包套中,焊好金属包套的上端盖,进行热等静压成形,其特征在于:在塑性陶瓷模与金属包套之间填充陶瓷粉末,并振实,然后对金属包套内进行高温脱气处理,处理温度为300~700℃,处理真空度为10-2~10-5Pa;
所述陶瓷粉末为氧化钇砂、氧化锆砂或氧化铝砂,粒度范围为0.1mm~1mm;
TiAl合金粉末平均粒度范围为20~200微米。
2.根据权利要求1所述的TiAl合金粉末近净成型的方法,其特征在于:热等静压成形时,应首先升高温度到750℃~850℃,然后升高压力至100~200MPa,升压速率为0.1~5MPa/min,之后继续升高温度至1100℃~1350℃,升温速率为1~20℃/min,并保温1~6小时。
3.根据权利要求1所述的TiAl合金粉末近净成型的方法,其特征在于:制备金属包套的材料为304不锈钢、低碳钢或纯钛金属。
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