CN106735171A - 一种钛铝预合金粉末置氢与两步除氢热等静压成形方法 - Google Patents

一种钛铝预合金粉末置氢与两步除氢热等静压成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钛铝预合金粉末置氢与两步除氢热等静压成形方法，该方法结合热氢处理工艺和热等静压工艺各自特点，包括如下步骤：将置氢后的钛铝预合金粉末装入金属包套和控型型芯中，振动紧实；包套和控型型芯高温抽真空；包套和控型型芯封焊后热等静压成形；去除包套和控型型芯得到成形零件；最后对成形零件真空退火。在包套高温抽真空和零件真空退火过程中，分两步将氢脱除。利用氢原子还原效应和改善高温成形性作用，破除钛铝预合金粉末表面氧化膜和降低热等静压成形温度，减小甚至避免金属包套和控型型芯对零件的污染和损坏，提高零件成形精度，降低设备及包套和控型型芯材料要求，且最终成形零件氧含量低，微观组织细小，综合性能优异。

Description

一种钛铝预合金粉末置氢与两步除氢热等静压成形方法
技术领域
本发明属于粉末冶金领域，具体涉及一种钛铝预合金粉末置氢与两步除氢热等静压成形方法。
背景技术
钛铝合金具有密度低，比强度高，高温性能稳定，耐腐蚀等突出优点，在航空、航天、汽车、化工等领域有着广范的应用。热等静压近净成形甚至净成形钛铝合金作为一种十分经济有效的成形技术，已开始应用于钛铝合金复杂难加工零件的制备。热等静压所用金属包套和控型型芯通常为便于取材，加工及焊接性好，成本低廉的碳钢和不锈钢。但钛铝合金粉末热等静压的温度较高，通常要在1200℃以上才能获得性能较好的钛铝合金热等静压零件，而在较高温度下碳钢和不锈钢的包套和控型型芯容易对零件表面产生严重的污染，对于钛铝合金，在较高温度下，碳钢和不锈钢与钛铝合金发生严重的反应生成钛-铝-铁金属间化合物，导致零件完全损坏。且在较高温度下成形对相关设备的要求和损耗也较高，相应的加工成本也较高。
利用钛铝预合金粉末置氢与两步除氢热等静压成形的方法成功避免了上述问题，可在较低温度下对钛铝合金进行热等静压成形。
氢元素在钛铝合金内部是一种可逆化的合金元素，且氢元素在钛铝合金中具有降低钛铝合金高温流变应力，降低β固相线的作用，进而降低钛铝合金的高温临界成形温度。首先对热等静压用钛铝预合金粉末置氢处理，大量氢原子可以，以钛和铝氢化物的形式被保留在粉末内部，其次钛和铝氢化物具有一定的稳定性，只有在高于其分解温度时，其才能重新分解析出氢原子，且随着温度的升高，分解量逐渐增多，直至完全分解，保证了热等静压高温抽真空除气工艺过程中，置入粉末内部氢原子的析出量及保留量可以定量控制，达到既使粉末表面氧化膜被有效的破除，又使粉末内部保留适量的氢原子，利于其高温成形性的改善。采用氢化处理后的粉末在较低温度下热等静压成形零件，既可有效控制零件与包套和控型型芯的界面反应，得到氧含量低，组织细小致密，性能优异的零件，又可降低对设备的要求和能耗。
专利文献CN104550963A公开了一种利用氢化钛合金粉末实现钛合金粉末成形的方法，该方法将氢化后的钛合金粉末装入金属包套中，振实后在高温下抽真空，脱除合金的氢含量，封焊后进行热等静压，实现钛合金成形。该方法通过在包套抽真空除气环节脱除氢化钛合金粉末中氢含量，解决了氢化钛合金成形过程中的除氢问题。
但是专利文献CN104550963A公开的一种利用氢化钛合金粉末实现钛合金粉末成形的方法存在如下问题：
(1)成形采用的粉末为循环氢破碎钛合金粉末，粉末流动性差，不利于热等静压直接近净成形甚至净成形复杂的零部件。
(2)成形过程中在粉末热等静压前直接一次将粉末中的氢原子除去，其目的为改善钛合金成形过程中氢含量高的技术问题。其成形温度高，相应对热等静压成形过程中的包套、控型型芯材料及成形设备的要求高，成形的成本高昂。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种钛铝预合金粉末置氢与两步除氢热等静压成形方法，其目的是在较低温度下对钛铝预合金粉末热等静压成形，减小甚至避免金属包套和控型型芯对零件的污染和损坏，降低设备要求。及降低最终热等静压近净成形甚至净成形零件中的氧含量，细化微观组织，提高其力学性能。
为了实现上述目的，本发明提供一种钛铝预合金粉末置氢与两步除氢热等静压成形方法，该方法包括如下步骤：
(1)对钛铝预合金粉末置氢处理；
(2)将所述置氢后的钛铝预合金粉末装填入金属包套和控型型芯内部，振动紧实；
(3)对所述金属包套和控型型芯第一步抽真空脱氢除气；
(4)对所述除气后的金属包套和控型型芯封焊；
(5)对所述封焊后的金属包套和控型型芯进行热等静压致密化；
(6)去除所述金属包套和控型型芯，得到含一定量氢原子的钛铝合金零件；
(7)对所述含氢原子的钛铝零件第二步真空退火脱氢，使其内部氢原子含量达到允许安全线以下。
优选地，所述置氢处理的温度为600℃～900℃、氢分压为0.1MPa～4Mpa、置氢时间为1～8h。
优选地，所述抽真空温度范围为420℃～600℃。
优选地，所述抽真空保温时间为4～8h。
优选地，所述抽真空和脱氢处理的真空度小于或等于0.001Pa。
优选地，所述热等静压的温度为1000～1160℃、压力为100～200Mpa、保温保压时间为1～4h。
优选地，所述真空退火温度为600～800℃、退火时间为8～48h、真空度小于或等于0.001Pa。
优选地，所述金属包套和控型型芯材料为碳钢或不锈钢。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的技术方案利用含适量氢原子的钛铝预合金粉末热等静压成形零件，通过控制氢原子的置入和析出量，达到既保持粉末的球形形貌特征，保证其良好的粉末流动性，又在氢原子适量析出的过程中达到钛铝预合金粉末表面氧化膜的破除，起到提高粉末蠕变、粘结、扩散、再结晶性能的作用，并最终降低成形零件中氧含量。
(2)本发明的技术方案利用热等静压成形过程中氢原子可降低钛铝合金高温流变应力，及降低β固相线作用，进而达到降低钛铝合金高温临界变形温度的作用，在较低温度下热等静压成形钛铝合金零件。降低对包套、控型型芯及热等静压设备的要求，减少加工的成本。
(3)本发明的技术方案对成形后的钛铝合金零件真空除氢退火，又可达到细化微观组织，提高零件综合性能的作用。
附图说明
图1为本发明实施例的一种钛铝预合金粉末置氢与两步除氢热等静压成形方法流程图；
其中，图1(a)为粉末置氢处理示意图；
图1(b)为置氢后粉；
图1(c)为装填置氢粉末的金属包套和控型型芯；
图1(d)为对装填有置氢粉末的金属包套和控型型芯高温抽真空第一步脱氢除气示意图；
图1(e)为对除氢后金属包套和控型型芯封焊示意图；
图1(f)为对封焊的金属包套和控型型芯热等静压示意图；
图1(g)为热等静压致密化成形零件示意图；
图1(h)为对成形零件第二步真空退火脱氢示意图；
图2为本发明实施例的一种钛铝预合金粉末置氢与两步除氢热等静压成形方法涉及的粉末自还原破除表面氧化膜示意图；
其中，图2(a)为置氢后的粉末；
图2(b)为高温除氢自还原净化粉末表面示意图；
图2(c)为表明净化后粉末。
所有附图中，相同的附图标记表示同一个结构元件，其中：1-包套壁、2-控型型芯、3-封焊焊口、4-置入粉末内部的氢原子、5-粉末表面氧化层、6-水蒸气、7-氢气。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明实施例的一种钛铝预合金粉末置氢与两步除氢热等静压成形方法流程图。如图1所示，一种钛铝预合金粉末置氢与两步除氢热等静压成形方法，该方法包括以下步骤：
(1)粉末预置氢处理：在温度600℃～900℃，氢分压0.1MPa～4MPa，保温时间1～8h条件下对热等静压用钛铝预合金粉末置氢处理，使其内部置入一定量氢原子，同时不使预合金粉末破碎，影响其流动性。
(2)粉末装填：将预先置入氢原子的钛铝预合金粉末装填入金属包套和控型型芯内部，振动紧实。所述金属包套和控型型芯材料为碳钢、不锈钢。
(3)第一步高温真空脱氢除气：对装填有置氢粉末的包套和控型型芯，在420℃～600℃温度范围内抽真空脱氢除气，真空度小于0.001Pa，保温时间4～8h，使置入粉末内部以氢化物形式存在的氢原子发生一定量的分解析出，破除粉末表面氧化膜，利于后续热等静压致密化，并降低最终零件内部氧含量；同时使粉末内部保留适量的氢原子，用于改善其高温成形性。
(4)封焊：对第一步脱氢除气后包套和控型型芯密封焊断。
(5)热等静压致密化：对封焊后的包套和控型型芯进行热等静压致密化，钛铝预合金粉末热等静压温度1000～1160℃，压力100～200MPa，保温保压时间1～4h。
(6)去除包套和控型型芯：采用机加工方式去除金属包套，采用化学腐蚀或电解腐蚀方式去除控型型芯，得到含一定量氢原子的钛铝合金零件。
(7)第二步真空退火脱氢处理：将含氢原子的钛铝零件在温度600～800℃，真空度小于0.001Pa，保温时间8～48h条件下脱氢处理，使其内部氢原子含量达到允许安全线以下。
本发明的特点是利用氢元素在钛铝合金内部的可逆化作用，还原破除钛铝预合金粉末表面氧化膜，及氢元素可降低钛铝合金高温流变应力，稳定β相存在的作用，进而降低钛铝合金高温加工的临界温度。将氢元素作为一种临时性合金元素加入粉末内部，热等静压过程中破除粉末表面氧化膜，改善粉末高温成形性，实现钛铝合金粉末较低温度下热等静压成形，减小包套和控型型芯与零件的界面反应，降低对设备的要求和能耗。
实例1
本发明实施例的一种钛铝预合金粉末置氢与两步除氢热等静压成形方法，运用本发明在较低温度下制备Ti-47Al-2Cr-2Nb钛铝预合金热等静压致密化零件的实施例，具体步骤如下：
1)在温度750℃，氢分压0.1MP条件下对平均晶粒直径为100μm的Ti-47Al-2Cr-2Nb钛铝预合金粉末置氢处理4h，使Ti-47Al-2Cr-2Nb钛铝预合金粉末内部置入适量的氢原子；
2)将置氢后的Ti-47Al-2Cr-2Nb钛铝合金粉末装填入不锈钢包套和控型型芯内，振动紧实；
3)在温度550℃条件下，对置氢粉末抽真空除气，在真空度低于0.001Pa下，保持4h。对包套内部抽真空除气使粉末内部以氢化物形式存在的氢原子发生一定量的分解析出，破除粉末表面氧化膜，利于后续热等静压致密化，并降低零件内部最终氧含量；同时，使粉末内部保留一定量的氢原子含量，改善其高温成形性；
4)将除气后粉末封焊在不锈钢包套和控型型芯内；
5)将封焊后的不锈钢包套和控型型芯在温度1050℃，压力170MPa，保温保压3h条件下，热等静压致密化；
6)采用机械加工方法去除不锈钢包套，采用化学腐蚀或电解腐蚀方式去除控型型芯，得到热等静压致密化Ti-47Al-2Cr-2Nb钛铝合金零件；
7)对Ti-47Al-2Cr-2Nb钛铝合金零件在700℃，真空度小于0.001Pa下抽真空48h，脱去零件内部氢原子，使其含量在允许安全线以下。最终得到氧含量低，组织细小致密，性能优异的钛铝合金零件。
实例2
本发明实施例的一种钛铝预合金粉末置氢与两步除氢热等静压成形方法，运用本发明在较低温度下制备Ti-45Al-5Nb-0.8Mo-0.3Y钛铝预合金热等静压致密化零件的实施例，具体步骤如下：
1)在温度700℃，氢分压2MP条件下对平均晶粒直径为80μm的Ti-45Al-5Nb-0.8Mo-0.3Y钛铝预合金粉末置氢处理6h，使Ti-45Al-5Nb-0.8Mo-0.3Y钛铝预合金粉末内部置入适量的氢原子；
2)将置氢后的Ti-45Al-5Nb-0.8Mo-0.3Y钛铝合金粉末装填入不锈钢包套和控型型芯内，振动紧实；
3)在温度480℃条件下，对置氢粉末抽真空除氢，在真空度低于0.001Pa下，保持6h。对包套内部抽真空脱氢除气使粉末内部以氢化物形式存在的氢原子发生一定量的分解析出，破除粉末表面氧化膜，利于后续热等静压致密化，并降低零件内部最终氧含量；同时，使粉末内部保留一定量的氢原子；
4)将除气后粉末封焊在不锈钢包套和控型型芯内；
5)将封焊后的不锈钢包套和控型型芯在温度1000℃，压力200MPa，保温保压4h条件下，热等静压致密化；
6)采用机械加工方法去除不锈钢包套，采用化学腐蚀或电解腐蚀方式去除控型型芯，得到热等静压致密化Ti-45Al-5Nb-0.8Mo-0.3Y钛铝合金零件；
7)对Ti-45Al-5Nb-0.8Mo-0.3Y钛铝合金零件在750℃，真空度小于0.001Pa下抽真空24h，脱去零件内部氢原子，使其含量在允许安全线以下。最终得到氧含量低，组织细小致密，性能优异的钛铝合金零件。
实例3
本发明实施例的一种钛铝预合金粉末置氢与两步除氢热等静压成形方法，运用本发明在较低温度下制备Ti-45Al-2Mn-2Nb-0.8vol％TiB2钛铝预合金热等静压致密化零件的实施例，具体步骤如下：
1)在温度800℃，氢分压4MP条件下对平均晶粒直径为120μm的Ti-45Al-2Mn-2Nb-0.8vol％TiB2钛铝预合金粉末置氢处理1h，使Ti-45Al-2Mn-2Nb-0.8vol％TiB2钛铝预合金粉末内部置入适量的氢原子；
2)将置氢后的Ti-45Al-2Mn-2Nb-0.8vol％TiB2钛铝合金粉末装填入不锈钢包套和控型型芯内，振动紧实；
3)在温度420℃条件下，对置氢粉末抽真空除氢，在真空度低于0.001Pa下，保持8h。对包套内部抽真空除气使粉末内部以氢化物形式存在的氢原子发生一定量的分解析出，破除粉末表面氧化膜，利于后续热等静压致密化，并降低零件内部最终氧含量；同时，使粉末内部保留一定量的氢原子含量，改善其高温成形性；
4)将除气后粉末封焊在不锈钢包套和控型型芯内；
5)将封焊后的不锈钢包套和控型型芯在温度1160℃，压力150MPa，保温保压2h条件下，热等静压致密化；
6)采用机械加工方法去除不锈钢包套，采用化学腐蚀或电解腐蚀方式去除控型型芯，得到热等静压致密化Ti-45Al-2Mn-2Nb-0.8vol％TiB2钛铝合金零件；
7)对Ti-45Al-2Mn-2Nb-0.8vol％TiB2钛铝合金零件在850℃，真空度小于0.001Pa下抽真空16h，脱去零件内部氢原子，使其含量在允许安全线以下，最终得到氧含量低，组织细小致密，性能优异的钛铝合金零件。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种钛铝预合金粉末置氢与两步除氢热等静压成形方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)对钛铝预合金粉末置氢处理；
(2)将所述置氢后的钛铝预合金粉末装填入金属包套和控型型芯内部，振动紧实；
(3)对所述金属包套和控型型芯第一步抽真空脱氢除气；
(4)对所述除气后的金属包套和控型型芯封焊；
(5)对所述封焊后的金属包套和控型型芯进行热等静压致密化；
(6)去除所述金属包套和控型型芯，得到含一定量氢原子的钛铝合金零件；
(7)对所述含氢原子的钛铝零件第二步真空退火脱氢，使其内部氢原子含量达到允许安全线以下。
2.根据权利要求1所述的一种钛铝预合金粉末置氢与两步除氢热等静压成形方法，其特征在于，所述置氢处理的温度为600℃～900℃、氢分压为0.1MPa～4Mpa、置氢时间为1～8h。
3.根据权利要求1或2所述的一种钛铝预合金粉末置氢与两步除氢热等静压成形方法，其特征在于，所述抽真空温度范围为420℃～600℃。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种钛铝预合金粉末置氢与两步除氢热等静压成形方法，其特征在于，所述抽真空保温时间为4～8h。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种钛铝预合金粉末置氢与两步除氢热等静压成形方法，其特征在于，所述抽真空和脱氢处理的真空度小于或等于0.001Pa。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种钛铝预合金粉末置氢与两步除氢热等静压成形方法，其特征在于，所述热等静压的温度为1000～1160℃、压力为100～200Mpa、保温保压时间为1～4h。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种钛铝预合金粉末置氢与两步除氢热等静压成形方法，其特征在于，所述真空退火温度为600～800℃、退火时间为8～48h、真空度小于或等于0.001Pa。
8.根据权利要求1所述的一种钛铝预合金粉末置氢与两步除氢热等静压成形方法，其特征在于，所述金属包套和控型型芯材料为碳钢或不锈钢。
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