CN106086537A - 一种铝钛硼合金及其粉末冶金成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝钛硼合金及其粉末冶金成型方法，该铝钛硼合金按重量比含铝69%‑73%、钛24%‑28%、硼2%‑4%；其粉末冶金成型方法包括①原材料、辅材、工装及设备的准备，②合金的真空感应熔炼，③母合金粉末的制备，④粉末冶金成型等四个步骤。本发明的铝钛硼合金杂质含量低、晶粒细、成份均匀、钛硼含量高，其粉末冶金方法纯净度高、无污染物、无废气、易于控制、质量稳定、成品率高。

Description

一种铝钛硼合金及其粉末冶金成型方法

技术领域

本发明涉及铝合金成型领域，尤其涉及铝钛硼合金及其粉末冶金成型方法。

背景技术

铝合金由于具有优良的性能，在实际生产和生活中的各个领域得到广泛应用。铝合金可分为铸造铝合金和变形铝合金，变形铝合金可分为热处理强化和非热处理强化变形铝合金。铸造铝合金和非热处理强化变形铝合金要获得优异的综合力学性能，就必须得到细小均匀的等轴晶组织。铝合金的晶粒细化手段主要有三种:(1)控制金属凝固冷却速度；(2)机械物理细化法；(3)化学细化法，加入晶粒细化剂。到目前为止最有效、最简单的晶粒细化方法是向铝熔体内添加晶粒细化剂，而铝钛硼中间合金是最优的晶粒细化剂之一。在国内已申请的相关专利中，专利《一种铝钛硼生产工艺》（申请号：201410180911.7，公开日：2014-07-30）公开了一种结合还原法生产的铝钛硼生产工艺，但在其生产过程中，由于没有真空环境，除气、除杂质不充分；由于没有对熔炼的坩埚材料进行限制，可能采用常规的铸铁坩埚，这样会导致杂质铁的含量难以控制，由于采用的是较原始的熔炼及凝固方式，其原始晶粒不够细化，这就导致最终成品的铝钛硼合金在作为晶粒细化剂时能提供的形核数量少、分布不均匀、长成的晶粒尺寸大，同时，由于没有采用粉末冶金的方式，无法采用钛硼过饱合的配比（过饱合的话极易偏析，会导致中间合金锭成分不均匀，应用时称量不准确），因此钛硼含量低，即产品的效率较低；另一方面，该发明采用的方法与常规方法比，仍会产生难以处理的废气、废渣，且由于没有采用高效设备，整个工艺过程不易控制、最终制成的铝钛硼合金质量不稳定。专利《一种铝钛硼合金锭的制备方法》（申请号：201510252071.5，公开日：2015-09-02）公开了一种同样采用粉末冶金方式制取铝钛硼合金锭的制备方法，但其仍采用原始熔炼方法，也没有明确熔炼坩埚的材料，因此母合金液内的杂质含量较高、除气不充分，合金的基础较差；由于雾化气压较低（不够细化）、没有对应工装配合（不稳定）、且没有采用急冷措施（冷速慢），使制得的粉末尺寸不均匀（需过筛），成品率低、浪费大，由于工艺搭配不合理，同样无法采用过饱合配方，使最终成品的铝钛硼合金利用效率低且质量不稳定，另外由于在热压成型后没有随炉冷却的过程，其产品内应力较大且不均匀，在使用时易导致形核不均匀；另外，由于其合金液在前期即有可能发生较重程度的氧化，因些，在最终采用真空热等静压进行成型实际上已丧失了意义。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明旨在提供一种杂质含量低、晶粒细、成份均匀、钛硼含量高的铝钛硼合金及纯净度高、无污染物、无废气、易于控制、质量稳定、成品率高的冶金方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种铝钛硼合金粉末冶金成型方法，包括以下步骤：

1）原材料、辅材、工装及设备的准备

①按如下重量份准备原材料：纯度不低于99.95%的铝锭69-73份、氟硼酸钾23.3-46.6份、纯度不低于99.95%的钛金属粉末24-28份；

②准备如下辅材：气体雾化用高纯氩气；

③准备如下工装：铜制坩埚，该坩埚内设置有循环水通道；雾化工装，该工装采用陶瓷材料制作；石墨坩埚，该石墨坩埚为下出口坩埚，下出口处设置有出口阀；模具，该模具采用不锈钢制作；

④准备如下设备：真空感应熔炼炉，该真空感应熔炼炉内设置有电磁搅拌装置；气体雾化设备；真空热等静压炉；

⑤上述所有工装及除真空感应熔炼炉之外的设备均设置在真空感应熔炼炉的炉腔内；

2）合金的真空感应熔炼

①将1）中步骤①准备的原材料放入石墨坩埚，获得熔池；

②将设置在石墨坩埚周围的感应装置与电源接通，待熔池内的原材料熔化后，开启电磁搅拌装置进行除气与均匀化处理，熔池内温度保持为780℃-820℃，保温60min-80min，获得熔炼完成的母合金液；

3）母合金粉末的制备

①将1）中步骤②准备的气体雾化用高纯氩气气源与1）中步骤④准备的气体雾化设备连接；将1）中步骤③准备的雾化工装安装在气体雾化设备喷气口；将1）中步骤③准备的铜制坩埚固定在与雾化工装出口处气流对应区域，并在铜制坩埚内通入循环水；

②开启气源开关、开启气体雾化设备，保持气压5MPa-6MPa；

③缓慢打开设置在石墨坩埚下出口处的出口阀，至母合金液呈液滴形态均匀滴落，落入雾化工装上部的管道中；高纯氩气在气压作用下吹散母合金液形成的液滴，形成雾化液，并带着其沿固定轨迹运动，雾化液喷出；

④喷出的雾化液沿固定轨迹喷入内部有循环水循环冷却的铜制坩埚，并在铜制坩埚内急冷成细微颗粒，待所有母合金液雾化完毕后，收集铜制坩埚内的细微颗粒，即获得所需母合金粉末；

4）粉末冶金成型

①将3）中步骤③获得的母合金粉末搅拌均匀后填充满1）中步骤③准备的模具中；

②将盛装了母合金粉末的模具放入1）中步骤④准备的真空热等静压炉中；

③抽真空至不高于1×10^-4Pa，加热至600℃-620℃，加压至210MPa -240Mpa，保持6h-8h；

④步骤③完成后，随炉冷却30min-50min后出炉空冷；

⑤脱模，即获得所需铝钛硼合金。

根据上述方法获得的铝钛硼合金，按重量比含铝69%-73%、钛24%-28%、硼2%-4%。

与现有技术比较，本发明由于采用了上述方案，具有以下优点：由于合金熔炼时便采用了真空感应熔炼工艺，真空环境中的低气体压力使冶炼的物理过程发生了改变，有利于气体的脱出，在真空条件下，物质的物理性质会发生改变，沸腾温度会降低；真空条件下，金属熔化时原来夹杂在金属中的气体放出后能很快离开金属熔液被真空泵抽走。原来金属与气体生成的化合物，在熔炼过程中分解放出的气体也很快被真空泵抽走；在真空条件下，温度、粘度、透气性都有改变，随冶炼温度的升高，金属的湿含量降低、粘度降低、透气性变好，使得熔炼过程中气体夹杂物减少，更容易脱气；同时金属在真空中精炼不会形成气孔或中间夹杂；金属杂质或氧化物在真空中形成气体之后其分子直径很小且分散性好，因此在真空中多原子分子倾向于分解成较少原子组成的分子，形成的气体分子很小，粒径一般在1-10nm，容易被真空系统抽走；因此采用真空感应熔炼炉进行的原始熔炼使得母合金内杂质及含气量达到极低的水平，母合金纯净度高；由于是采用的石墨坩埚进行熔炼，不会有新的铁元素及铸铁内含杂质元素进入合金，也保证了母合金的纯净度；由于是与气体雾化工装及气体雾化设备无缝连接，这些装置内又充满了高纯氩气，母合金液采用下出口流出，所以整个过程中均不会发生二次氧化的现象，再次保证了母合金粉末的纯净度；综上，合金的纯净度得到了最大限度的保障；由于采用了电磁搅拌设备，使熔炼过程中的金属液在真空环境下不断不定向流动，既提高了杂质及气体的排出、上升比例，又均匀化了成份，使母合金液更加均匀，为后续的粉末质量打好了基础；由于采用了专用的雾化工装与水冷铜坩埚，使得保护及雾气气体的出口气压可以达到更高（5MPa-6MPa），并使得气体流动更均匀，雾化程度更高、更细、更均匀，因此能获得不需过筛即足够细化、均匀的母合金粉末，成品率接近100%，同时，无论过饱合度多高，此时也已完全均匀化，不会出现因为成份不均匀而致使用性能不均匀的影响；采用合适的真空热等静压成型，提升了合金的致密程度，进一步降低了气含量，同时也使合金锭的各向异性好，随炉冷却的过程更使得内应力分配均匀，在使用时便不会对形核的均匀性造成影响；由于全程均采用高效设备进行控制，因此本冶金方法易于控制、质量稳定。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图中：石墨坩埚1、熔池2、雾化工装3、气体雾化设备4、高纯氩气5、铜制坩埚6、循环水通道7、感应装置8、出口阀9。

具体实施方式

实施例1：

一种铝钛硼合金，按重量比含铝69%、钛28%、硼3%。

该铝钛硼合金粉末冶金成型方法，包括以下步骤：

1）原材料、辅材、工装及设备的准备

①按如下重量份准备原材料：纯度不低于99.95%的铝锭69份、氟硼酸钾34.9份、纯度不低于99.95%的钛金属粉末28份；

②准备如下辅材：气体雾化用高纯氩气5；

③准备如下工装：铜制坩埚6，该坩埚内设置有循环水通道7；雾化工装3，该工装采用陶瓷材料制作；石墨坩埚1，该石墨坩埚1为下出口坩埚，下出口处设置有出口阀9；模具，该模具采用不锈钢制作；

④准备如下设备：真空感应熔炼炉，该真空感应熔炼炉内设置有电磁搅拌装置；气体雾化设备4；真空热等静压炉；

⑤上述所有工装及除真空感应熔炼炉之外的设备均设置在真空感应熔炼炉的炉腔内；

2）合金的真空感应熔炼

①将1）中步骤①准备的原材料放入石墨坩埚1，获得熔池2；

②将设置在石墨坩埚1周围的感应装置8与电源接通，待熔池2内的原材料熔化后，开启电磁搅拌装置进行除气与均匀化处理，熔池2内温度保持为780℃，保温60min，获得熔炼完成的母合金液；

3）母合金粉末的制备

①将1）中步骤②准备的气体雾化用高纯氩气5气源与1）中步骤④准备的气体雾化设备4连接；将1）中步骤③准备的雾化工装3安装在气体雾化设备4喷气口；将1）中步骤③准备的铜制坩埚6固定在与雾化工装3出口处气流对应区域，并在铜制坩埚6内通入循环水；

②开启气源开关、开启气体雾化设备4，保持气压5MPa；

③缓慢打开设置在石墨坩埚1下出口处的出口阀9，至母合金液呈液滴形态均匀滴落，落入雾化工装3上部的管道中；高纯氩气5在气压作用下吹散母合金液形成的液滴，形成雾化液，并带着其沿固定轨迹运动，雾化液喷出；

④喷出的雾化液沿固定轨迹喷入内部有循环水循环冷却的铜制坩埚6，并在铜制坩埚6内急冷成细微颗粒，待所有母合金液雾化完毕后，收集铜制坩埚6内的细微颗粒，即获得所需母合金粉末；

4）粉末冶金成型

①将3）中步骤③获得的母合金粉末搅拌均匀后填充满1）中步骤③准备的模具中；

②将盛装了母合金粉末的模具放入1）中步骤④准备的真空热等静压炉中；

③抽真空至1×10^-4Pa，加热至600℃，加压至210MPa，保持6h；

④步骤③完成后，随炉冷却30min后出炉空冷；

⑤脱模，即获得所需铝钛硼合金。

实施例2：

一种铝钛硼合金，按重量比含铝73%、钛24%、硼3%。

该铝钛硼合金粉末冶金成型方法，包括以下步骤：

1）原材料、辅材、工装及设备的准备

①按如下重量份准备原材料：纯度不低于99.95%的铝锭73份、氟硼酸钾34.9份、纯度不低于99.95%的钛金属粉末24份；

②准备如下辅材：气体雾化用高纯氩气5；

③准备如下工装：铜制坩埚6，该坩埚内设置有循环水通道7；雾化工装3，该工装采用陶瓷材料制作；石墨坩埚1，该石墨坩埚1为下出口坩埚，下出口处设置有出口阀9；模具，该模具采用不锈钢制作；

④准备如下设备：真空感应熔炼炉，该真空感应熔炼炉内设置有电磁搅拌装置；气体雾化设备4；真空热等静压炉；

⑤上述所有工装及除真空感应熔炼炉之外的设备均设置在真空感应熔炼炉的炉腔内；

2）合金的真空感应熔炼

①将1）中步骤①准备的原材料放入石墨坩埚1，获得熔池2；

②将设置在石墨坩埚1周围的感应装置8与电源接通，待熔池2内的原材料熔化后，开启电磁搅拌装置进行除气与均匀化处理，熔池2内温度保持为820℃，保温80min，获得熔炼完成的母合金液；

3）母合金粉末的制备

①将1）中步骤②准备的气体雾化用高纯氩气5气源与1）中步骤④准备的气体雾化设备4连接；将1）中步骤③准备的雾化工装3安装在气体雾化设备4喷气口；将1）中步骤③准备的铜制坩埚6固定在与雾化工装3出口处气流对应区域，并在铜制坩埚6内通入循环水；

②开启气源开关、开启气体雾化设备4，保持气压6MPa；

③缓慢打开设置在石墨坩埚1下出口处的出口阀9，至母合金液呈液滴形态均匀滴落，落入雾化工装3上部的管道中；高纯氩气5在气压作用下吹散母合金液形成的液滴，形成雾化液，并带着其沿固定轨迹运动，雾化液喷出；

④喷出的雾化液沿固定轨迹喷入内部有循环水循环冷却的铜制坩埚6，并在铜制坩埚6内急冷成细微颗粒，待所有母合金液雾化完毕后，收集铜制坩埚6内的细微颗粒，即获得所需母合金粉末；

4）粉末冶金成型

①将3）中步骤③获得的母合金粉末搅拌均匀后填充满1）中步骤③准备的模具中；

②将盛装了母合金粉末的模具放入1）中步骤④准备的真空热等静压炉中；

③抽真空至1×10^-5Pa，加热至620℃，加压至240Mpa，保持8h；

④步骤③完成后，随炉冷却50min后出炉空冷；

⑤脱模，即获得所需铝钛硼合金。

本发明尤其适用于用于航空航天精工产品的晶粒细化剂。

对所公开的实施例的上述说明，仅为了使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种铝钛硼合金粉末冶金成型方法，其特征在于包括以下步骤：

1）原材料、辅材、工装及设备的准备

①按如下重量份准备原材料：纯度不低于99.95%的铝锭69-73份、氟硼酸钾23.3-46.6份、纯度不低于99.95%的钛金属粉末24-28份；

②准备如下辅材：气体雾化用高纯氩气(5)；

③准备如下工装：铜制坩埚(6)，该坩埚内设置有循环水通道(7)；雾化工装(3)，该工装采用陶瓷材料制作；石墨坩埚(1)，该石墨坩埚为下出口坩埚，下出口处设置有出口阀(9)；模具，该模具采用不锈钢制作；

④准备如下设备：气体雾化设备(4)；真空热等静压炉；真空感应熔炼炉，该真空感应熔炼炉内设置有电磁搅拌装置；

⑤上述所有工装及除真空感应熔炼炉之外的设备均设置在真空感应熔炼炉的炉腔内；

2）合金的真空感应熔炼

①将1）中步骤①准备的原材料放入石墨坩埚(1)，获得熔池(2)；

②将设置在石墨坩埚(1)周围的感应装置(8)与电源接通，待熔池(2)内的原材料熔化后，开启电磁搅拌装置进行除气与均匀化处理，熔池(2)内温度保持为780℃-820℃，保温60min-80min，获得熔炼完成的母合金液；

3）母合金粉末的制备

①将1）中步骤②准备的气体雾化用高纯氩气(5)气源与1）中步骤④准备的气体雾化设备(4)连接；将1）中步骤③准备的雾化工装(3)安装在气体雾化设备(4)喷气口；将1）中步骤③准备的铜制坩埚(6)固定在与雾化工装(3)出口处气流对应区域，并在铜制坩埚(6)内通入循环水；

②开启气源开关、开启气体雾化设备(4)，保持气压5MPa-6MPa；

③缓慢打开设置在石墨坩埚(1)下出口处的出口阀(9)，至母合金液呈液滴形态均匀滴落，落入雾化工装(3)上部的管道中；高纯氩气(5)在气压作用下吹散母合金液形成的液滴，形成雾化液，并带着其沿固定轨迹运动，雾化液喷出；

④喷出的雾化液沿固定轨迹喷入内部有循环水循环冷却的铜制坩埚(6)，并在铜制坩埚(6)内急冷成细微颗粒，待所有母合金液雾化完毕后，收集铜制坩埚(6)内的细微颗粒，即获得所需母合金粉末；

4）粉末冶金成型

①将3）中步骤③获得的母合金粉末搅拌均匀后填充满1）中步骤③准备的模具中；

②将盛装了母合金粉末的模具放入1）中步骤④准备的真空热等静压炉中；

③抽真空至不高于1×10^-4Pa，加热至600℃-620℃，加压至210MPa -240Mpa，保持6h-8h；

④步骤③完成后，随炉冷却30min-50min后出炉空冷；

⑤脱模，即获得所需铝钛硼合金。

2.根据上述方法获得的铝钛硼合金，其特征在于：该铝钛硼合金按重量比含铝69%-73%、钛24%-28%、硼2%-4%。