CN103639408A - 一种以氢化钛铝合金粉末短流程制备钛铝金属间化合物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是以氢化钛铝合金粉末短流程制备钛铝金属间化合物的方法，以高纯铝和海绵钛为原料，在真空自秏电极电弧凝壳炉或真空感应炉中熔炼成钛铝合金铸锭，随后粗破碎成粉料，经过氢化处理获得脆性的氢化合金粉料，再利用涡流气流磨研磨制成微细钛铝合金粉末；将氢化的合金粉末制成坯体，坯体在烧结升温过程中发生脱氢反应，脱氢反应后的合金粉末的表面活性高，易烧结致密，经烧结最终得到高纯度、低氧含量、高相对密度的钛铝金属间化合物制品。该方法工艺流程短，操作稳定性高，可重复性强，可实现大批量连续化生产；所制备的钛铝合金粉末具有纯度高、含氧量低、粒度细小、粒度分布窄、均匀性好等优点，适用于压制成形、注射成形、凝胶注模成形。

Description

一种以氢化钛铝合金粉末短流程制备钛铝金属间化合物的方法

技术领域

本发明属于粉末冶金领域，特别是涉及一种以氢化钛铝合金粉末短流程制备钛铝金属间化合物的方法。

背景技术

钛铝金属间化合物具有耐高温、抗氧化、耐蚀、耐磨、高比刚和高比强等优点，其性能与Ni基高温合金相近，但密度只有Ni基高温合金的一半，成为最具发展潜力的新一代航空航天发动机用轻质高温结构材料。合金在700℃～1000℃的高温环境中，表现出良好的高温性能；但在700 ℃以下温度范围内，其延伸率仅有1%～3%，表现出严重的室温脆性，塑性加工成形困难、制备成本高，阻碍了钛铝合金的发展和应用。

粉末冶金方法可以方便的实现复杂构件近净成形，避免了TiAl基合金难以塑性加工的问题，并且易于添加高熔点的合金元素，其制备的TiAl基合金制品无疏松、缩孔、成分偏析和粗大片层组织等铸造缺陷，且具有均匀细小的显微组织，力学性能良好。粉末冶金成形工艺一般要求原料粉末粒度细小、分布均匀、纯度高及氧含量低。现有的粉末制备方法有反应扩散法、雾化法和旋转电极法等。目前主要的混合元素粉末法先将原料海绵钛氢化处理，破碎研磨成氢化钛粉末，再脱氢制备钛粉，之后与铝粉低温扩散合金化制备钛铝合金粉末，钛铝间扩散反应使粉末粘结，需要再次球磨破碎成粉末，最终成形烧结制得钛铝金属间化合物制品。成本较低，但工艺复杂耗时长，并且制备的钛铝合金粉末由于反应烧结中会产生大幅度体积膨胀，粉末形状不规则，氧含量和杂质含量较高；雾化法是通过一定的手段直接将熔体金属击碎得到金属粉末的一种方法，此方法制备的金属粉末粒度较大，且因为存在坩埚污染，容易在粉末中带入氧化物夹杂；等离子旋转电极法可制备球形度好、纯度高、氧含量低的钛铝合金粉末，缺点是制备的粉末较粗一般在100μm以上，不易制取，每批次的材料利用率不高，导致成本过高。现检索出专利号为CN201310099463.3的专利提供了一种基于Ti元素粉末和Al元素粉末制备TiAl金属间化合物零件的方法，但钛和铝之间的扩散反应会引起坯体大幅度膨胀，导致样品变形破碎和相对密度低，对样品的性能有不利影响。

本发明提供以氢化钛铝合金粉末短流程制备高纯钛铝合金的工艺方法，将高纯铝和海绵钛熔炼为钛铝合金铸锭，经粗破碎后，氢化处理制得氢化合金粉料，再利用涡流气流磨研磨制成微细钛铝合金粉末，随后成形烧结制得钛铝金属间化合物制品。

目前还未见到利用氢化钛铝合金粉末短流程制备钛铝金属间化合物的方法相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以氢化钛铝合金粉末短流程制备钛铝金属间化合物的工艺方法，该方法利用氢化处理和涡流气流磨研磨的钛铝合金粉末具有的纯度高、含氧量低、粒度细小、粒度分布窄、均匀性好等优点，进而制得高纯度、低氧含量的钛铝金属间化合物制品。

为达到以上目的，采用的具体工艺参数和流程如下：

一种以氢化钛铝合金粉末短流程制备钛铝金属间化合物的方法，包括步骤：

1）以纯度为99.9%的高纯铝和99%海绵钛为原料，在真空自秏电极电弧凝壳炉或真空感应炉中熔炼成钛铝合金铸锭，其中合金铸锭的成分为：Al原子百分含量为46%～50%，余量为Ti；

2）将所述钛铝合金铸锭粗破碎为1～5mm的粉料；

3）粗破碎的粉料经过氢化处理后获得氢化的钛铝合金粉末，氢化处理的主要工艺参数为：真空炉真空度为10^-2～10^-3Pa，氢与钛铝合金粉末反应温度为350℃～580℃，氢气压强控制在0.1～0.3MPa；

4）将上述氢化的钛铝合金粉末经涡流气流磨研磨制成均匀的微细合金粉末，其中涡流气流磨的研磨气体压力为0.6～1.3Mpa，分选机转速为2800～4200转；

5）将氢化的钛铝合金粉末成型后，放入真空度低于10^-2Pa的真空炉中，在600～750℃温度范围内脱氢处理，升温速度为3～5℃/min，保温时间2～6小时，然后直接加热到1450℃～1500℃进行烧结，随炉冷却后得到高纯度钛铝金属间化合物制品。

在步骤（4）经涡流气流磨研磨制备的微细合金粉末平均粒度为10～70μm。

在步骤5），制备的钛铝金属间化合物制品纯度为99.4%～99.9%、相对密度大于98%、氧含量低于2000ppm。

在步骤2），对铸锭进行粗破碎为1～5mm的粉料包括刨铣、低温冷切削和压力破碎方法。

在步骤3），氢化处理的具体步骤包括：将钛铝合金细粉装入真空气氛炉内，抽真空至10^-2～10^-3MPa，开启加热装置，当炉内温度升温到220℃～300℃时，向炉内通入氢气，氢气压强控制在0.1～0.3MPa；然后加热至350℃～580℃并保温2～5小时，氢与钛铝合金粉末反应，随后降温至240℃～300℃停止通氢气。温度降到80℃～120℃时，便可将氢化的钛铝合金粉末取出。

在步骤4），研磨微细合金粉末的具体步骤为：将粗破碎的粉料装入料筒，设置好研磨及分选参数后进行入料研磨，研磨中分级收集，调整参数得到平均粒度在10～70μm之间任意粒度且分布均匀的细粉。

本发明的优点在于：

（1）使制备钛铝金属间化合物制品的工艺缩短。与现有混合元素法相比，减少了制备工序，使生产更效率，有利于实现大批量连续化生产；

（2）铸锭粗破碎、粉末的氢化细化处理分别是在低温和高纯气氛保护下进行，可有效防止粉末的氧化和污染。此外，涡流气流磨研磨可精确控制粉末粒度及分布，且脆性的氢化粉末可以通过研磨破碎进行较大程度的细化。故所制备的TiAl基合金粉末具有纯度高、粒度细小且分布狭窄、均匀性好、氧含量低、流动性好等优点；

（3）氢化的钛铝合金粉末发生脱氢反应后，粉末的表面活性大大提高，易烧结成形。以氢化粉末制备高纯钛铝合金的工艺方法不但工序简单耗时短，并且避免了元素粉末法样品烧结时因扩散反应导致体积膨胀相对密度低等问题，样品的相对密度和尺寸精度高；

（4）该工艺操作稳定性高、可重复性强，可实现高性能TiAl基合金制品的批量化连续生产。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。

实施实例1：

（1） 以纯度为99.9%的高纯铝、99%的海绵钛为原料，在真空感应炉中熔炼成合金铸锭，制得名义成分为Ti-46Al的大尺寸铸锭；

（2） 合金铸锭经低温冷风切屑进行粗破碎，压缩氮气冷风温度为-30℃，切屑碎屑粒度为2mm的粉料；

（3） 将合金粉料装入真空气氛炉内，开启抽真空系统，真空度达到10^-2后，开始加热，温度升高至260℃时向炉内通入氢气，缓慢加热至450℃并保温3小时，此过程中氢气压强保持在0.15MPa。在炉内温度降至250℃停止通氢气，并在低于100℃时将氢化的钛铝合金粉末取出；

（4） 将氢化的粉料进行涡流气流磨研磨，研磨氮气压力为0.65Mpa,分选机转速为3000转，收集到平均粒度为60μm的合金粉末；

（5） 采用压制成形的方法将合金粉末制成坯体，坯体在真空度为3×10^-3Pa的真空炉内先加热到700℃保温2小时进行脱氢处理，再继续升温至1450℃保温4小时进行烧结，获得相对密度为98%的钛铝金属间化合物制品。

实施实例2：

（1） 以纯度为99.9%的高纯铝、99%的海绵钛为原料，在真空自耗电极电弧凝壳炉中熔炼成合金铸锭，制得名义成分为Ti-50Al的大尺寸铸锭；

（2） 合金铸锭利用压机反复加压将铸锭粗破碎为4mm的粉粒；

（3） 将合金粉料装入真空气氛炉炉管内，开启抽真空系统，真空度达到8×10^-3后，开始加热，温度升高至250℃时向炉内通入氢气，缓慢加热至580℃并保温2小时，此过程中氢气压强保持在0.20MPa。在炉内温度降至280℃停止通氢气，并在低于90℃时将氢化的钛铝合金粉末取出；

（4）  将氢化的粉料进行涡流气流磨研磨，研磨氮气压力为1.0Mpa，分选机转速为4000转，收集到平均粒度为20μm的不规则微细合金粉末；

（5） 采用凝胶注模成形的方法将合金粉末制成坯体，坯体在真空度为6×10^-3Pa的真空炉内先加热到680℃保温4小时进行脱氢处理，再继续升温至1480℃保温3小时进行烧结，获得相对密度为98.6%的钛铝金属间化合物制品。

实施实例3：

（1） 以纯度为99.9%的高纯铝、99%的海绵钛为原料，在真空感应炉中熔炼成合金铸锭，制得名义成分为Ti-48Al的大尺寸铸锭；

（2） 合金铸锭经低温冷风切屑进行粗破碎，压缩氮气冷风温度为-45℃，切屑碎屑粒度为1mm的粉料；

（3） 将合金粉料装入真空气氛炉内，开启抽真空系统，真空度达到10^-3后，开始加热，温度升高至280℃时向炉内通入氢气，缓慢加热至550℃并保温2小时，此过程中氢气压强保持在0.18MPa。在炉内温度降至270℃停止通氢气，并在低于80℃时将氢化的钛铝合金粉末取出；

（4） 将氢化的粉料进行涡流气流磨研磨，研磨氮气压力为0.8Mpa，分选机转速为3600转，收集到平均粒度为35μm的微细合金粉末；

（5）  采用注射成型的方法将合金粉末制成坯体，坯体在真空度为4×10^-3Pa的真空炉内先加热到750℃保温2小时进行脱氢处理，再继续升温至1500℃保温2小时进行烧结，获得相对密度为98.8%的钛铝金属间化合物制品。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种以氢化钛铝合金粉末短流程制备钛铝金属间化合物的方法，其特征在于：

1）以纯度为99.9%的高纯铝和99%海绵钛为原料，在真空自秏电极电弧凝壳炉或真空感应炉中熔炼成钛铝合金铸锭，其中合金铸锭的成分为：Al原子百分含量为46%～50%，余量为Ti；

2）将所述钛铝合金铸锭粗破碎为1～5mm的粉料；

3）粗破碎的粉料经过氢化处理后获得氢化的钛铝合金粉末，氢化处理的主要工艺参数为：真空炉真空度为10^-2～10^-3Pa，氢与钛铝合金粉末反应温度为350℃～580℃，氢气压强控制在0.1～0.3MPa；

4）将上述氢化的钛铝合金粉末经涡流气流磨研磨制成均匀的微细合金粉末，其中涡流气流磨的研磨气体压力为0.6～1.3Mpa，分选机转速为2800～4200转；

5）将氢化的钛铝合金粉末成型后，放入真空度低于10^-2Pa的真空炉中，在600～750℃温度范围内脱氢处理，升温速度为3～5℃/min，保温时间2～6小时，然后直接加热到1450℃～1500℃进行烧结，随炉冷却后得到高纯度钛铝金属间化合物制品。

2.根据权利要求1所述的一种以氢化钛铝合金粉末短流程制备钛铝金属间化合物的方法，其特征在于：步骤（4）经涡流气流磨研磨制备的微细合金粉末平均粒度为10～70μm。

3.根据权利要求2所述的一种以氢化钛铝合金粉末短流程制备钛铝金属间化合物的方法，其特征在于：在步骤5），制备的钛铝金属间化合物制品纯度为99.4%～99.9%、相对密度大于98%、氧含量低于2000ppm。

4.根据权利要求3所述的一种以氢化钛铝合金粉末短流程制备钛铝金属间化合物的方法，其特征在于：在步骤2），对铸锭进行粗破碎包括刨铣、低温冷切削和压力破碎的方法。

5.根据权利要求4所述的一种以氢化钛铝合金粉末短流程制备钛铝金属间化合物的方法，其特征在于：在步骤3），氢化处理的具体步骤包括：将钛铝合金细粉装入真空气氛炉内，抽真空至10^-2～10^-3MPa，开启加热装置，当炉内温度升温到220℃～300℃时，向炉内通入氢气，氢气压强控制在0.1～0.3MPa；然后加热至350℃～580℃并保温2～5小时，氢与钛铝合金粉末反应，随后降温至240℃～300℃停止通氢气，温度降到80℃～120℃时，便可将氢化的钛铝合金粉末取出。

6.根据权利要求5所述的一种以氢化钛铝合金粉末短流程制备钛铝金属间化合物的方法，其特征在于：在步骤4），研磨微细合金粉末的具体步骤为：将粗破碎的粉料装入料筒，设置好研磨及分选参数后进行入料研磨，研磨中分级收集，调整参数得到平均粒度在10～70μm之间任意粒度且分布均匀的细粉。