CN105063394A - 一种钛或钛合金材料的制备方法 - Google Patents

一种钛或钛合金材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种钛或钛合金材料的制备方法，该方法包括混粉、成形和烧结的步骤，其中，所述混粉步骤是指将含钛粉与CaH2粉末在保护气氛下进行混合，所述CaH2粉末与所述含钛粉的重量比值的百分数为0.1％～0.5％，所述含钛粉是指含有钛元素的粉末，其中，钛元素占该粉末总重量的75％以上。本发明的钛或钛合金材料的制备方法，将特定比例的CaH2与钛粉或者含有钛元素和合金元素的粉末混合并进行成形和烧结，一方面大大降低了钛基体中的氧含量，消除或减少氧化钛的形成，从而提高钛或钛合金材料的力学性能；另一方面，能够得到细晶组织的钛或钛合金材料，从而改善钛或钛合金材料的塑性、韧性和疲劳等性能。

Description

一种钛或钛合金材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种钛或钛合金材料的制备方法，属于粉末冶金技术领域。
背景技术
钛及钛合金材料具有密度小、比强度高、耐热性强、耐腐蚀性好、无磁、超导、形状记忆、生物相容性好等优异性能，广泛应用在航空航天航海等领域。然而，由于钛的化学活性高，在提炼和加工过程中容易与O、N、H等元素发生反应，使得钛及钛合金产品的加工生产复杂，成才率低，在制造零部件的过程中产生大量钛废料，耗能耗时，制造成本很高，难以得到广泛的推广应用。
近年来，粉末冶金在降低钛和钛合金生产成本方面的优势已经引起钛行业的关注。粉末冶金技术是以金属粉末作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。该技术可以在远低于钛熔点的温度烧结得到近净形的钛和钛合金材料或制品，并且是一种节材、节能、环保、短流程的绿色制造技术。
然而，目前粉末冶金制造的钛或钛合金的氧含量普遍偏高，影响使用性能，例如，氧与钛形成的氧化物掺杂在材料中，对金属的塑性带来极大的损伤。
发明内容
鉴于相关技术的上述问题和/或其他问题，本发明提供了一种钛或钛合金材料的制备方法，其中，该制备方法包括混粉、成形和烧结的步骤，其中，所述混粉步骤是指将含钛粉与CaH2粉末在保护气氛下进行混合，所述CaH2粉末与所述含钛粉的重量比值的百分数为0.1％～0.5％，所述含钛粉是指含有钛元素的粉末，其中，钛元素占该粉末总重量的75％以上。
优选的，所述含钛粉为钛粉或者为含有钛元素和合金元素的粉末。
优选的，所述钛粉的氧含量为800～1500ppm。
优选的，所述含有钛元素和合金元素的粉末中，所述合金元素选自由Al、V、Sn、Pd、Fe、Co、Cr、Mo、Ni、Nb、Zr、Si、Ru组成的组。
优选的，所述含有钛元素和合金元素的粉末，除包含钛粉以外，还含有一种或多种合金元素的纯元素粉末和/或多种合金元素的合金粉末；其中，所包含的钛粉的氧含量为800～1500ppm。
优选的，所述含钛粉的粒度为1～10微米，并且所述CaH2粉末的粒度为1～5微米。
优选的，在所述混粉步骤中，所述含钛粉与CaH2粉末在球磨机中进行混合，球料比为2:1～5:1。
优选的，所述保护气氛为氮气或惰性气体。
优选的，所述的成形步骤是指将所述混粉步骤获得的混合粉末在保护气氛下装入模具，经冷等静压得到压坯，冷等静压的压力200～300MPa。
优选的，所述烧结步骤采用真空烧结，烧结温度为950～1300℃，真空度为小于等于10-2Pa。
本发明的钛或钛合金材料的制备方法，与现有技术相比，将特定比例的CaH2与钛粉或者含有钛元素和合金元素的粉末混合并进行粉末冶金，一方面大大降低了钛基体中的氧含量，消除或减少氧化钛的形成，从而提高钛或钛合金材料的力学性能；另一方面，发明人意外地发现，能够得到细晶组织的钛或钛合金材料，从而改善钛或钛合金材料的塑性、韧性和疲劳等性能；并且采用本发明的方法可以降低钛或钛合金材料的生产加工成本，有利于钛材的产业化发展。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明作进一步的说明，但本发明并不限于这些具体实施方式。
实施例1
步骤一，混粉：将10kg钛粉与50克CaH2粉末在保护气氛下进行混合。
在本实施例中，CaH2粉末与钛粉的重量比值的百分数为0.5％。
在本实施例中，钛粉的氧含量约为800ppm。优选的，该钛粉采用氢化脱氢的方法制备而成。
在本实施例中，钛粉的平均粒度约为10微米，CaH2粉末的平均粒度约为5微米。
优选的，在本实施例中，钛粉的纯度约为99.5％。优选的，在本实施例中，CaH2粉末的纯度约为99％。
在本实施例中，采用球磨混料机进行混合。优选的，将钛粉和CaH2粉末在球磨混料机(采用不锈钢球)中进行混合，球料比为2:1；优选的，混合时间约为10小时。
保护气氛可以采用氮气，也可以采用诸如氦气、氖气、氩气等惰性气体。在本实施例中，所采用的保护气氛为氩气，氩气的纯度约为99.98％。
在本实施例中，经上述混粉步骤获得的混合粉末，优选采用如下步骤二和三来制备钛材料制品。
步骤二，成形：将混粉步骤获得的混合粉末装入模具(装模过程采用纯度99.98％氩气作为保护气氛)，在压力300MPa下冷等静压，在本实施例中保压时间为5分钟，冷等静压后得到压坯坯体，压坯相对密度为80％。
所述压坯密度是指压坯单位体积实际质量的平均值；所述压坯相对密度是指压坯密度与混粉的物质密度的比值。
步骤三，烧结：将步骤二获得的冷等静压坯体放入真空炉中，炉内真空度为10-2Pa，在950摄氏度的温度下烧结7小时，之后随炉冷却，获得实施例1的钛材料制品。
烧结后切样测量，实施例1的钛材料制品的相对密度为98％，抗拉强度为600MPa，延伸率为22％，断面收缩率为30％，由此可见，采用本发明实施例1方法制备的钛材料制品具有高密度高强度的同时，具有良好的塑性。
实施例2
步骤一，混粉：将16.5kg的含有钛元素和合金元素的粉末与16.5gCaH2粉末在保护气氛下进行混合；其中，含有钛元素和合金元素的粉末中，钛元素占该粉末重量的75％以上。
在本实施例中，CaH2粉末与含有钛元素和合金元素的粉末的重量比值的百分数约为0.1％。
在本发明的一个实施方案中，含有钛元素和合金元素的粉末，除包含钛粉以外，还含有一种或多种合金元素的纯元素粉末和/或多种合金元素的合金粉末。
优选的，合金元素选自由Al、V、Sn、Pd、Fe、Co、Cr、Mo、Ni、Nb、Zr、Si、Ru组成的组。在本实施例中，含有钛元素和合金元素的粉末，除包含钛粉以外，还含有Al的纯元素粉和Al-V的合金粉。
在本实施例中，16.5kg含有钛元素和合金元素的粉末包括15kg的钛粉、1100gAl-V合金粉以及400gAl粉。其中，钛粉的氧含量约为1500ppm。优选的，该钛粉采用氢化脱氢的方法制备而成。
在本实施例中，含有钛元素和合金元素的粉末的平均粒度约为1微米，CaH2粉末的平均粒度约为1微米。
优选的，在本实施例中，钛粉的纯度约为99.5％，Al-V合金粉的纯度约为99.5％以及Al粉的纯度约为99.5％。优选的，在本实施例中，CaH2粉末的纯度约为99％。
在本实施例中，采用球磨混料机进行混合。优选的，将含有钛元素和合金元素的粉末和CaH2粉末在球磨混料机(采用不锈钢球)中进行混合，球料比为5:1，混合时间约为5小时。
在本实施例中，保护气氛采用纯度为99.99％的氮气。
在本实施例中，经上述混粉步骤获得的混合粉末，优选采用如下步骤二和三来制备钛合金制品。
步骤二，成形：将混粉步骤获得的混合粉末装入模具(装模过程采用纯度为99.99％的氮气作为保护气氛)，在压力200MPa下冷等静压，在本实施例中保压时间为8分钟，冷等静压后得到压坯坯体，压坯相对密度为83％。
步骤三，烧结：将步骤二获得的冷等静压坯体放入真空炉中，炉内真空度为3×10-3Pa，在1300摄氏度的温度下烧结5小时，之后随炉冷却，获得实施例2的钛合金材料制品。
烧结后切样测量，实施例2的钛合金材料制品的相对密度为99.0％，抗拉强度为1150MPa，延伸率为13％，断面收缩率为23％。由此可见，采用本发明实施例2方法制备的钛合金材料制品具有高密度高强度的同时，具有良好的塑性。
实施例3
步骤一，混粉：将平均粒度1微米，纯度99.7％，氧含量1500ppm的氢化脱氢钛粉15kg和平均粒度1微米，纯度99.8％的CaH2粉15克放入球磨混料机混合5小时，采用不锈钢球，球料比5:1，混合过程用纯度99.98％氮气做保护气氛。
步骤二，成形：将混粉步骤获得的混合粉末装入模具中，装模过程采用纯度99.98％氮气做保护气氛，在压力200MPa下冷等静压，保压时间8分钟，得到压坯坯体，压坯相对密度为82％。
步骤三，烧结：将步骤二获得的冷等静压坯体放入真空炉，在1300摄氏度的温度下烧结5小时，炉内真空度为5×10-3Pa，之后随炉冷却。
烧结后切样测量，实施例3制得的钛材料制品的相对密度为98.8％，抗拉强度为590MPa，延伸率为24％，断面收缩率为32％。
实施例4
步骤一，混粉：将平均粒度10微米，纯度99.7％，氧含量800ppm的氢化脱氢钛粉10.3kg、平均粒度10微米纯度99.7％的Al-V合金粉500克、平均粒度10微米纯度99.7％的Al粉200克和平均粒度5微米，纯度99.7％的CaH2粉55克放入球磨混料机混合10小时，采用不锈钢球，球料比2:1，混合过程用纯度99.99％氩气做保护气氛。
步骤二，成形：将混粉步骤获得的混合粉末装入模具中，装模过程采用纯度99.99％氩气做保护气氛，在压力300MPa下冷等静压，保压时间5分钟，得到压坯坯体，压坯相对密度为81％。
步骤三，烧结：将步骤二获得的冷等静压坯体放入真空炉中，炉内真空度为10-2Pa，在950摄氏度的温度下烧结7小时，之后随炉冷却。
烧结后切样测量，实施例4制得的钛合金材料制品的相对密度为98.5％，抗拉强度为780MPa，延伸率为17％，断面收缩率为19％。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钛或钛合金材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括混粉、成形和烧结的步骤，其中，
所述混粉步骤是指将含钛粉与CaH2粉末在保护气氛下进行混合，
所述CaH2粉末与所述含钛粉的重量比值的百分数为0.1％～0.5％，
所述含钛粉是指含有钛元素的粉末，其中，钛元素占该粉末总重量的75％以上。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述含钛粉为钛粉或者为含有钛元素和合金元素的粉末。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，
所述钛粉的氧含量为800～1500ppm。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，
所述含有钛元素和合金元素的粉末中，所述合金元素选自由Al、V、Sn、Pd、Fe、Co、Cr、Mo、Ni、Nb、Zr、Si、Ru组成的组。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，
所述含有钛元素和合金元素的粉末，除包含钛粉以外，还含有一种或多种合金元素的纯元素粉末和/或多种合金元素的合金粉末，其中，所包含的钛粉的氧含量为800～1500ppm。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述含钛粉的粒度为1～10微米，并且所述CaH2粉末的粒度为1～5微米。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，
在所述混粉步骤中，所述含钛粉与CaH2粉末在球磨机中进行混合，球料比为2:1～5:1。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述保护气氛为氮气或惰性气体。
9.如权利要求1至8中任意一项所述的制备方法，其特征在于，
所述的成形步骤是指将所述混粉步骤获得的混合粉末在保护气氛下装入模具，经冷等静压得到压坯，冷等静压的压力200～300MPa。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述烧结步骤采用真空烧结，烧结温度为950～1300℃，真空度为小于等于10-2Pa。
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