CN105499576B - 一种粉末冶金制备多孔钛铝合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于多孔金属材料制备领域，涉及一种粉末冶金制备多孔钛铝合金的方法。将不同粒径的纯氢化钛粉和纯铝粉混合均匀，经过模压成型为原坯，在管式炉中进行惰性气体和还原性气氛保护的高温烧结，在此过程中，氢化钛分解的纯钛与铝粉通过Kerkendill效应反应形成多孔钛铝金属间化合物，同时分解产生的氢气形成还原性气氛，钛铝反应可在400℃‑640℃处于氢气氛的还原保护中，防止粉末氧化，降低多孔钛铝合金的氧含量，提高多孔钛铝金属间化合物的力学性能。本方法制备的多孔钛铝金属间化合物的孔隙细小均匀，通过改变氢化钛和铝粉的配比、粉末粒度、压制压力来调控多孔钛铝金属间化合物的孔结构参数，工艺简单，成本低，能耗低。

Description

一种粉末冶金制备多孔钛铝合金的方法

技术领域：

本发明涉及的是金属间化合物技术领域，尤其涉及一种粉末冶金制备多孔钛铝合金的方法。

背景技术：

近年来，多孔金属材料作为一种潜在的工程结构材料在各个工业领域受到了极大的关注，在航空航天、能源、化工和冶金等领域得到广泛的应用。钛铝金属间化合物作为轻质高温材料，由于原子间金属键和共价键的共同作用，使其具备优异的物理性能、力学性能以及优良的高温抗氧化性能和抗酸碱盐雾腐蚀性能，在高温隔热和过滤催化等工业领域有广泛的应用前景。采用粉末冶金的方法来制备钛铝多孔金属间化合物，其制备过程简单可控，污染小，具有近净成形的优点。目前用粉末冶金法制备多孔钛铝所使用的烧结原料为钛粉，工业常用钛粉主要为氢化脱氢钛粉，氧、氮等杂质含量高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种直接烧结氢化钛粉而不是脱氢后的钛粉，缩短了工艺，降低制备成本的一种粉末冶金制备多孔钛铝合金的方法。

本发明的技术方案是：一种粉末冶金制备多孔钛铝合金的方法，该方法采用将不同粒径的纯氢化钛粉和纯铝粉混合均匀，经过模压成型为原坯，在管式炉中进行惰性气体和还原性气氛保护的高温烧结，在此过程中，氢化钛分解的纯钛与铝粉通过Kerkendill效应反应形成多孔钛铝金属间化合物，最终得到有传统钛铝合金所具有的双片层结构，γ-TiAl/α-Ti₃Al片层结构，孔隙更加细小均匀多孔钛铝合金。

该方法的具体步骤如下：

步骤1：将纯氢化钛粉与铝粉按照质量分数为TiH₂-30%Al~TiH₂-50%Al的比例分别称取，混料10-15h，得到混合均匀的粉末；

步骤2：将步骤1得到的粉末采用模压成型的方式，压制成片状坯，压制压力为100-600MPa；

步骤3：将步骤2制备得到片状坯放入真空气氛管式炉中进行微压烧结，先抽真空3-6次，以排除炉腔内的氧气，真空度为2-10Pa；然后通入高纯氩气（纯度高于99.999%），在氩气的保护气氛下进行微压烧结，烧结工艺采用三阶段反应合成工艺烧结；

第一阶段：加热至120℃，保温0.5-1h；

第二阶段：以1.5-3.5℃/min的升温速率加热至600-640℃，保温2-4h；

第三阶段，继续加热至1300-1400℃保温2-4h；烧结完成后随炉冷却，即得到多孔钛铝合金。

进一步，所述氢化钛的粒径为10-100μm，铝粉的粒径为10-100μm。

进一步，所述第三步骤中的烧结的第二阶段中，当加热至400℃时，停止高纯氩气供应。

进一步，所述多孔钛铝合金具有传统钛铝合金所具有的双片层结构，即γ-TiAl/α-Ti₃Al片层结构，其孔隙更加细小均匀，平均孔径为2-12μm，孔隙率为20-27%，合金的高温压缩屈服强度增强了50-100MPa，含氧量降低约20%-50%。

发明原理

氢化钛低温时化学稳定性好，不与空气及水作用，用氢化钛粉末代替钛粉能够降低钛在低温时的被氧化的可能性，故在400℃以下用氩气气氛烧结。通过计算氢化钛的产气动力学曲线可知，氢化钛在400℃以上开始大量产生氢气，当温度以一定的升温速率升至640℃时，氢气基本已经释放完全。因此，根据氢化钛的产气动力学方程来控制管式炉中的保护气氛，在400℃至640℃处于氢气的还原性气氛保护中，防止粉末的氧化，降低多孔钛铝合金的氧含量，提升其力学性能。

与现有的钛铝多孔制备工艺相比，本发明的有益效果如下：

（1）利用氢化钛粉末代替钛粉制备多孔钛铝金属间化合物材料，制备出钛铝合金多孔材料烧结体骨架，具有传统钛铝合金所具有的双片层结构，γ-TiAl/α-Ti₃Al片层结构，孔隙更加细小均匀。

（2）采用氢化钛粉和铝粉制备钛铝多孔合金材料，通过氢化钛的分解动力学曲线来控制管式炉中的保护气氛，400-640℃的还原性保护气氛防止粉末的氧化，降低多孔钛铝合金的氧含量。

（3）采用气氛管式炉代替真空烧结炉，降低生产成本。

（4）采用氢化钛粉末代替钛粉制备的多孔钛铝金属间化合物材料，通过控制烧结气氛，降低样品的氧含量，得到细小均匀的孔结构，合金的力学性能增强。

附图说明

图1为利用氢化钛粉末和铝粉反应造孔得到的XRD图；

图2为分别利用Ti粉和TiH₂粉与Al粉混合制备钛铝多孔合金的孔径分布图；

图3为利用氢化钛粉末和铝粉反应造孔得到的孔结构的截面图，压制压力为200MPa，（a）2000倍，（b）3000倍；

图4为利用氢化钛粉末代替质量分数为80%的钛粉混合反应的光学显微镜的照片（25）,（a）压制压力为100MPa，（b）压制压力为200MPa；

图5为分别以氢化钛粉和钛粉为原料制备钛铝多孔合金在800℃的压缩应力应变曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1：

第一步：将粒径为30um的氢化钛粉末和粒径为25um的铝粉，按照TiH₂-36wt%Al的成分配比进行均匀的混合，混料时间为10h。

第二步：采用模压成型的方式，压制成片状冷压坯，其尺寸为直径20mm，高度为9mm，压制压力为200MPa。

第三步：将片状坯放入真空气氛管式炉中进行微压烧结，先抽真空5次，以排除炉腔内的氧气，真空度为2Pa；然后通入高纯氩气（纯度高于99.999%），进行氩气气氛微压烧结，压力控制在0-0.05MPa，超过400℃至640℃时由氢化钛粉自身分解气体提供保护气氛。烧结工艺采用三阶段反应合成工艺烧结，即分别在120℃保温0.5h，以1.5℃/min的升温速率，640℃保温2h，1300℃保温2h；烧结完成后随炉冷却。由此获得的钛铝多孔金属间化合物，同样具有迷宫式的孔隙结构，且孔隙分布均匀，孔径大小更加均匀，孔径分布在10um左右，烧结金属骨架由γ-TiAl和α-Ti₃Al组成，平均孔径为5μm，孔隙率为22%，合金的高温压缩屈服强度增强了50MPa。

实施例2：

第一步：将粒径为60um的氢化钛粉末和粒径为50um的铝粉，按照TiH₂-36wt%Al的成分配比进行均匀的混合，混料时间为12h。

第二步：采用模压成型的方式，压制成片状冷压坯，其尺寸直径为20mm，高度为9mm，压制压力为200MPa。

第三步：将片状坯放入真空气氛管式炉中进行微压烧结，先抽真空5次，以排除炉腔内的氧气，真空度为2Pa；然后通入高纯氩气（纯度高于99.999%），进行氩气气氛微压烧结，压力控制在0-0.05MPa，超过400℃至640℃时由氢化钛粉自身分解气体提供保护气氛。烧结工艺采用三阶段反应合成工艺烧结，即分别在120℃保温0.5h，加热至400℃时停止氩气的供应，以2.0℃/min的升温速率继续加热至600℃保温3h，1350℃保温3h；烧结完成后随炉冷却。相对于实施例1，氢化钛粉和铝粉的粒径较大，钛铝多孔合金主要由柯肯达尔效应反应成孔，孔径相对较大。烧结金属骨架由γ-TiAl和α-Ti₃Al组成，平均孔径为10μm，孔隙率为26%，合金的高温压缩屈服强度增强了40MPa。

实施例3：

第一步：将粒径为30um的氢化钛粉末和粒径为25um的铝粉，按照TiH₂-36wt%Al的成分配比进行均匀的混合，混料时间为15h。

第二步：采用模压成型的方式，压制成片状冷压坯，其尺寸直径为20mm，高度为9mm，压制压力为400MPa。

第三步：将片状坯放入真空气氛管式炉中进行微压烧结，先抽真空5次，以排除炉腔内的氧气，真空度为2Pa；然后通入高纯氩气（纯度高于99.999%），进行氩气气氛微压烧结，压力控制在0-0.05MPa，超过400℃至640℃时由氢化钛粉自身分解气体提供保护气氛。烧结工艺采用三阶段反应合成工艺烧结，即分别在120℃保温1h，640℃保温4h，1400℃保温4h；烧结完成后随炉冷却。由此获得的钛铝多孔金属间化合物，同样具有迷宫式的孔隙结构，且孔隙分布均匀，孔径大小均匀，烧结金属骨架由γ-TiAl和α-Ti₃Al组成，平均孔径为3μm，孔隙率为20%，合金的高温压缩屈服强度增强了80MPa。

实施例4：

第一步：将粒径为30um的氢化钛粉末和粒径为25um的铝粉，并按照TiH₂-36wt%Al的成分配比进行均匀的混合，混料时间为13h。

第二步：采用模压成型的方式，压制成片状冷压坯，其尺寸直径为20mm，高度为9mm，压制压力为200MPa。

第三步：将片状坯放入真空气氛管式炉中进行微压烧结，先抽真空5次，以排除炉腔内的氧气，真空度为2Pa；然后通入高纯氩气（纯度高于99.999%），进行氩气气氛微压烧结，压力控制在0-0.05MPa，超过400℃至640℃时由氢化钛粉自身分解气体提供保护气氛。烧结工艺采用三阶段反应合成工艺烧结，即分别在120℃保温0.7h，以3.5℃/min的升温速率，加热至400℃时停止氩气的供应，继续加热至620℃保温3h， 1400℃保温2h；烧结完成后随炉冷却。相对于200MPa的压制压力，样品的压制压力较大，因此孔隙率较低，孔径偏小。烧结金属骨架由γ-TiAl和α-Ti₃Al组成，平均孔径为5μm，孔隙率为25%，合金的高温压缩屈服强度增强了40MPa。

实施例5：

第一步：将粒径为30um的氢化钛粉末和粒径为25um的铝粉，用氢化钛代替30%（质量分数）的钛粉，并按照钛铝的质量分数为TiH₂-30wt%Al的成分配比进行均匀的混合，混料时间为10h。

第二步：采用模压成型的方式，压制成片状冷压坯，其尺寸直径为20mm，高度为9mm，压制压力为200MPa。

第三步：将片状坯放入真空气氛管式炉中进行微压烧结，先抽真空5次，以排除炉腔内的氧气，真空度为2Pa；然后通入高纯氩气（纯度高于99.999%），进行氩气气氛微压烧结，压力控制在0-0.05MPa，超过400℃至640℃时由氢化钛粉自身分解气体提供保护气氛。烧结工艺采用三阶段反应合成工艺烧结，即分别在120℃保温1h，640℃保温4h，1300℃保温2h；烧结完成后随炉冷却。由此获得的钛铝多孔金属间化合物，同样具有迷宫式的孔隙结构，且孔隙分布均匀，孔径更加细小均匀，烧结金属骨架由γ-TiAl和α-Ti₃Al组成，平均孔径为8μm，孔隙率为27%，合金的高温压缩屈服强度增强了30MPa。

实施例6：

第一步：将粒径为30um的氢化钛粉末和粒径为25um的铝粉，用氢化钛代替80%（质量分数）的钛粉，并按照钛铝的质量分数为TiH₂-50wt%Al的成分配比进行均匀的混合，混料时间为12h。

第二步：采用模压成型的方式，压制成片状冷压坯，其尺寸直径为20mm，高度为9mm，压制压力为200MPa。

第三步：将片状坯放入真空气氛管式炉中进行微压烧结，先抽真空5次，以排除炉腔内的氧气，真空度为2Pa；然后通入高纯氩气（纯度高于99.999%），进行氩气气氛微压烧结，压力控制在0-0.05MPa，超过400℃至640℃时由氢化钛粉自身分解气体提供保护气氛。烧结工艺采用三阶段反应合成工艺烧结，即分别在120℃保温0.9h，以1.5℃/min的升温速率，加热至400℃时停止氩气的供应，继续加热至640℃保温4h，1350℃保温3.5h；烧结完成后随炉冷却。由此获得的钛铝多孔金属间化合物，同样具有迷宫式的孔隙结构，且孔隙分布均匀，孔径更加细小均匀，烧结金属骨架由γ-TiAl和α-Ti₃Al组成，平均孔径为5μm，孔隙率为23%，合金的高温压缩屈服强度增强了50MPa。

Claims (3)

1.一种粉末冶金制备多孔钛铝合金的方法，该方法采用将不同粒径的纯氢化钛粉和纯铝粉混合均匀，经过模压成型为原坯，在管式炉中进行惰性气体和还原性气氛保护的高温烧结，在此过程中，氢化钛分解的纯钛与铝粉通过Kerkendill效应反应形成多孔钛铝金属间化合物，最终得到有传统钛铝合金所具有的双片层结构，γ-TiAl/α-Ti₃Al片层结构，孔隙更加细小均匀，其特征在于，具体步骤如下：

第一步：将纯氢化钛粉与铝粉按照质量分数为TiH₂-30%Al-TiH₂-50%Al的比例分别称取，混料10-15h，得到混合均匀的粉末；

第二步：将第一步得到的粉末采用模压成型的方式，压制成片状坯，压制压力为100-600MPa；

第三步：将片状坯放入真空气氛管式炉中进行微压烧结，先抽真空3-6次，以排除炉腔内的氧气，真空度为2-10Pa；然后通入高纯氩气，纯度高于99.999%，在氩气的保护气氛下进行微压烧结，烧结工艺采用三阶段反应合成工艺烧结，

第一阶段：加热至120℃，保温0.5-1h，

第二阶段：以1.5-3.5℃/min的升温速率加热至600-640℃，保温2-4h，

第三阶段：继续加热至1300-1400℃保温2-4h；烧结完成后随炉冷却，即得到多孔钛铝合金，所述多孔钛铝合金具有传统钛铝合金所具有的双片层结构，即γ-TiAl/α-Ti₃Al片层结构，其孔隙相对于传统钛铝合金更加细小均匀，平均孔径为2-12μm，孔隙率为20-27%，合金的高温压缩屈服强度相对于传统钛铝合金增强了30-100MPa，含氧量相对于传统钛铝合金降低了20%-50%。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氢化钛的粒径为10-100μm，铝粉的粒径为10-100μm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第三步中的烧结的第二阶段中，当加热至400℃时，停止高纯氩气供应。