CN107083498A - 一种调控氢含量提高氢化钛粉制备钛合金性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种调控氢含量提高氢化钛粉制备钛合金性能的方法，属于粉末冶金技术领域。本发明所述方法在氢化钛粉脱氢制备钛合金过程中通过调控氢含量对钛合金性能进行改性，明显改善粉末冶金钛合金的组织结构和力学性能，优化烧结工艺，并大大缩短生产及合金优化处理流程，降低钛合金生产成本。本发明所述装置包括冷却系统、真空系统、加热保温系统、氢含量检测系统及控制系统等。该装置可实现多温段烧结控制，适用于1150~1800℃等各烧结温度的钛合金产品；可实现以TiH2粉为原料制备粉末冶金钛合金在烧结过程中对氢含量的调控，进行钛合金的热氢处理；烧结得到的钛合金氢含量可达到GB/T4698‑2011检测标准。
Description
技术领域
本发明涉及一种调控氢含量提高氢化钛粉制备钛合金性能的方法，属于粉末冶金技术领域。
背景技术
钛及钛合金因密度小、比强度高、耐蚀耐热性能好、生物相容性好等优点一直备受关注，然而，生产钛合金成本高昂，从而令其使用受到限制。采用粉末冶金法以TiH2为原料制备钛产品，减少了钛材加工环节及设备的投入，提高了生产效率，降低了制造成本，是近年国际研究热点。专利申请号为201010274240.2的专利提出了一种以氢化钛粉末制备钛及钛合金制品的工艺方法，专利申请号为201110173539.3的专利提出了一种用于氢化钛粉脱氢的真空炉装置及其脱氢方法。目前粉末冶金法制备的钛合金微观组织较为粗大，导致钛合金的热塑性差、力学性能和加工性能也不理想，使钛合金塑性变形时对变形速度和变形温度的要求苛刻。
发明内容
本发明的目的在于提供一种调控氢含量提高氢化钛粉制备钛合金性能的方法，包括下列步骤：
（1）将按比例配置好的TiH2粉及合金粉末放在行星式球磨机中，转速为200~300r/min，球磨2~3h，使粉末充分混合均匀；对TiH2粉和合金的混合粉进行TG/DSC热分析，找出混合粉分解的关键脱氢温度点；
（2）将压制好的氢化钛-合金压坯称重后装入坩埚内，并置于加热体中，开启抽真空系统，待炉内真空度达到1×10-3Pa后，开启加热装置进行升温；
（3）升温过程中，在各个关键脱氢温度点分别保温25~40min，到达最终烧结温度时保温2~4h，随后以10~15℃/min的降温速率进行降温，降温至钛合金相变点以下10~100℃时通过进气口向炉内通入氢气，并保温1~5h后停止通入氢气，然后随炉冷却，保温过程中观察氢含量检测结果，调整氢气流量使炉内氢含量不少于压坯质量的0.05%~0.55%；随炉冷却过程中使炉内真空度始终保持高于1×10-3Pa，当温度降至室温时，关闭仪器，取出样品。
优选的，本发明所述烧结温度为合金熔点的65～80%。
本发明中原料除了为TiH2粉及合金的混合粉末，还可以为纯的TiH2粉末。
本发明所述关键脱氢温度点是指：1g氢化钛样品在某温度脱氢质量大于等于0.1mg，该温度点即为关键温度点。
本发明的另一目的在于提供所述调控氢含量提高氢化钛粉制备钛合金性能的方法所用装置，包括进气口3、放气阀4、加热体5、温度传感器6、抽真空系统7、H热导检测器8、显示器9、水循环冷却系统10、真空计11、炉体12，炉体12包括炉盖1、炉外壳2、保温层13，保温层13位于炉外壳的内部；炉体12的侧壁上安装有进气口3、放气阀4、温度传感器6、抽真空系统7、真空计11和水循环冷却系统10，进气口3、放气阀4、温度传感器6、抽真空系统7、真空计11均穿过炉体的保温层与炉体的内部连通，水循环冷却系统10位于炉外壳2与保温层13之间；抽真空系统7与H热导检测器8连接，H热导检测器8与显示器9连接。
本发明所述抽真空系统7含机械泵和扩散泵。
本发明方法将氢化钛粉末冶金法制备钛合金与氢处理技术相结合，在烧结过程中将氢脱除，并通过调控氢化钛烧结炉内氢浓度实现对钛合金的热处理，提供可实现多温段烧结控制，适用于1150~1800℃等各烧结温度的钛合金产品；实现以TiH2粉为原料制备粉末冶金钛合金在烧结过程中对氢含量的调控，进行钛合金的热氢处理；使得烧结得到的钛合金氢含量可达到GB/T4698-2011检测标准。
本发明可以采用TiH2为原料制备粉末冶金钛合金，并通过调控炉内氢浓度实现对对钛合金性能进行改性，明显改善粉末冶金钛合金的组织结构和力学性能，优化烧结工艺，并大大缩短生产及合金优化处理流程，降低钛合金生产成本。
本发明的有益效果：
（1）本发明方法在烧结过程中将氢脱除并通过调控炉内氢浓度实现对钛合金的热氢处理，降低合金的相变点，增加钛合金中塑性相的体积分数，降低流动应力，提高塑性性能，使钛合金组织结构发生显著变化，促使其工艺性能和力学性能得到明显改善。从而提高粉末冶金钛合金的性能，更好的优化烧结工艺，并大大缩短生产及合金优化处理流程、降低烧结温度、降低钛合金生产成本。
（2）本发明石墨加热体加热温域宽广，炉内烧结空间大，可实现多温段烧结控制，适用于1150~1800℃等各烧结温度的粉末冶金钛合金产品的制备；可实现以TiH2粉为原料制备粉末冶金钛合金在烧结过程中对氢含量的调控，进行钛合金的热氢处理；使得烧结得到的钛合金氢含量可达到GB/T4698-2011检测标准。缩短了生产周期，降低钛合金的生产成本和使用门槛，应用范围较广，具有很好的应用推广价值。
附图说明
图1是本发明所述真空烧结炉的结构示意图；
图2是真空烧结脱氢过程的工艺流程图；
图3是实施例1的热分析曲线图；
图4是实施例2的热分析曲线图。
图中：1-炉盖；2-炉外壳；3-进气口；4-放气阀；5-加热体；6-温度传感器；7-抽真空系统；8-H热导检测器；9-显示器；10-水循环冷却系统；11-真空计；12-炉体；13-保温层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
本发明实施例1~3所用装置，如图1所示，包括进气口3、放气阀4、加热体5、温度传感器6、抽真空系统7、H热导检测器8、显示器9、水循环冷却系统10、真空计11、炉体12，炉体12包括炉盖1、炉外壳2、保温层13，保温层13位于炉外壳的内部；炉体12的侧壁上安装有进气口3、放气阀4、温度传感器6、抽真空系统7、真空计11和水循环冷却系统10，进气口3、放气阀4、温度传感器6、抽真空系统7、真空计11均穿过炉体的保温层与炉体的内部连通，水循环冷却系统10位于炉外壳2与保温层13之间；抽真空系统7与H热导检测器8连接，H热导检测器8与显示器9连接；所述抽真空系统7含机械泵和扩散泵。
用调控氢含量提高氢化钛粉制备钛合金性能的方法，以TiH2粉为原料采用粉末冶金方法，分别烧结得到Ti、Ti-6Al-4V和Ti-13Nb-13Zr合金及检测其氢含量的过程。
实施例1
（1）对TiH2粉进行TG/DSC热分析（如图3所示），找出TiH2分解的关键脱氢温度点400℃、500℃、600℃、750℃，并制定相应的烧结制度，升温速率为5℃/min，各个关键脱氢温度点分别保温25min，到达最终烧结温度1400℃时保温4h。
（2）将TiH2粉末压制成型，称重后将压坯装入坩埚内，并置于加热体5的中央，盖上炉盖1，检查辅助设备正常后，启动控制柜，在显示器端输入压坯烧结前质量，并打开冷却系统；
（3）开启抽真空系统7，待炉内真空度达到1×10-3Pa后，在控制柜仪表盘设定2中制定的烧结制度，开启加热装置进行烧结；
（4）升温结束后以10℃/min的降温速率进行降温，降温至870℃时，先通过进气口向炉内通氢气再关闭扩散泵（保持机械泵打开），观察氢含量检测结果为0.35%，调整氢气流量至500ml/min，使炉内氢含量不少于压坯质量的0.55%，保温2小时后打开扩散泵，停止通氢气并随炉冷却，使炉内真空度始终保持高于1×10-3Pa，温度降至100℃以下后，保存数据并关闭氢含量检测软件，关闭抽真空系统7的扩散泵；
（5）当温度降至室温时，依次关闭加热体5、机械泵、水循环冷却系统10，打开放气阀4使炉内气压为大气压，打开炉盖1取出样品，并对样品进行力学试验检测。
本实施例制备得到的纯钛样品屈服强度为503MPa，极限变形为42%，和未调节氢浓度的纯钛相比，其屈服强度降低了23%，极限变形提高了22%；1200℃烧结后样品氢含量为30ppm，符合纯钛氢含量标准。
实施例2
（1）将按Ti-6Al-4V合金成分比例配置好的TiH2粉末和Al-V合金粉放在行星式球磨机中球磨，转速为250r/min，球磨2h，至充分混合均匀。
（2）对TiH2和Al-V合金混合粉进行TG/DSC热分析（如图4所示），找出TiH2和Al-V合金混合粉分解的关键脱氢温度点420℃、500℃、600℃、750℃，并制定相应的烧结制度，升温速率为8℃/min，各个关键脱氢温度点分别保温30min，到达最终烧结温度1150℃时保温3h。
（3）将混合粉末压制成型，称重后将压坯装入坩埚内，并置于加热体5的中央，盖上炉盖1，检查辅助设备正常后，启动控制柜，在显示器端输入压坯烧结前质量，并打开冷却系统；
（4）开启抽真空系统7，待炉内真空度达到1×10-3Pa后，在控制柜仪表盘设定2中制定的烧结制度，开启加热装置进行烧结；
（5）升温结束后以13℃/min的降温速率进行降温，降温至850℃时，先通过进气口向炉内通氢气再关闭扩散泵（保持机械泵打开），观察氢含量检测结果为0.30%，调整氢气流量至450ml/min，使炉内氢含量不少于压坯质量的0.44%，保温2小时后打开扩散泵，停止通氢气并随炉冷却，使炉内真空度始终保持高于1×10-3Pa，温度降至100℃以下后，保存数据并关闭氢含量检测软件，关闭抽真空系统7的扩散泵；
（6）当温度降至室温时，依次关闭加热体5、机械泵、水循环冷却系统10，打开放气阀4使炉内气压为大气压，打开炉盖1取出Ti-6Al-4V样品，并对样品进行力学试验检测。
本实施例制备得到的Ti-6Al-4V合金屈服强度为599MPa，极限变形为37%，和未调节氢浓度的Ti-6Al-4V合金相比，其屈服强度降低了30%，极限变形提高了20%。1200℃烧结后样品氢含量为18ppm，符合Ti-6Al-4V合金氢含量标准。
实施例3
（1）将按Ti-13Nb-13Zr合金成分比例配置好的TiH2粉末、Nb粉和ZrH2放在行星式球磨机中球磨，转速为300r/min，球磨3h，至充分混合均匀。
（2）对TiH2、Nb和ZrH2的合金混合粉进行TG/DSC热分析，找出TiH2、Nb和ZrH2合金混合粉分解的关键脱氢温度点400℃、500℃、600℃、750℃、800℃，并制定相应的烧结制度，升温速率为10℃/min，各个关键脱氢温度点分别保温40min，到达最终烧结温度1800℃时保温2h。
（3）将混合粉末压制成型，称重后将压坯装入坩埚内，并置于加热体5的中央，盖上炉盖1，检查辅助设备正常后，启动控制柜，在显示器端输入压坯烧结前质量，并打开冷却系统；
（4）开启抽真空系统7，待炉内真空度达到1×10-3Pa后，在控制柜仪表盘设定2中制定的烧结制度，开启加热装置进行烧结；
（5）升温结束后以13℃/min的降温速率进行降温，降温至830℃左右时，先通过进气口向炉内通氢气再关闭扩散泵（保持机械泵打开），观察氢含量检测结果为0.37%，调整氢气流量至470ml/min，使炉内氢含量不少于压坯质量的0.1%，保温2小时后打开扩散泵，停止通氢气并随炉冷却，使炉内真空度始终保持高于1×10-3Pa，温度降至100℃以下后，保存数据并关闭氢含量检测软件，关闭抽真空系统7的扩散泵；
（6）当温度降至室温时，依次关闭加热体5、机械泵、水循环冷却系统10，打开放气阀4使炉内气压为大气压，打开炉盖1取出Ti-13Nb-13Zr样品，并对样品进行力学试验检测。
本实施例制备得到的Ti-13Nb-13Zr合金屈服强度为628MPa，极限变形为31%，和未调节氢浓度的Ti-13Nb-13Zr合金相比，其屈服强度降低了28%，极限变形提高了30%。1400℃烧结后样品氢含量为16ppm，符合Ti-13Nb-13Zr合金氢含量标准。
本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式组合。
Claims (5)
1.一种调控氢含量提高氢化钛粉制备钛合金性能的方法，其特征在于，包括下列步骤：
（1）将按比例配置好的TiH2粉及合金粉末放在行星式球磨机中，使粉末充分混合均匀；对TiH2粉和合金的混合粉进行TG/DSC热分析，找出混合粉分解的关键脱氢温度点；
（2）将压制好的氢化钛-合金压坯称重后装入坩埚内，并置于加热体中，开启抽真空系统，待炉内真空度达到1×10-3Pa后，开启加热装置进行升温；
（3）升温过程中，在各个关键脱氢温度点分别保温25~40min，到达最终烧结温度时保温2~4h，随后以10~15℃/min的降温速率进行降温，降温至钛合金相变点以下10~100℃时通过进气口向炉内通入氢气，并保温1~5h后停止通入氢气，然后随炉冷却，保温过程中观察氢含量检测结果，调整氢气流量使炉内氢含量不少于压坯质量的0.05%~0.55%；随炉冷却过程中使炉内真空度始终保持高于1×10-3Pa，当温度降至室温时，关闭仪器，取出样品。
2.根据权利要求1所述调控氢含量提高氢化钛粉制备钛合金性能的方法，其特征在于：烧结温度为合金熔点的65～80%。
3.根据权利要求1所述调控氢含量提高氢化钛粉制备钛合金性能的方法，其特征在于：将原料替换为纯的TiH2粉末。
4.权利要求1、2或3所述调控氢含量提高氢化钛粉制备钛合金性能的方法所用装置，其特征在于：包括进气口（3）、放气阀（4）、加热体（5）、温度传感器（6）、抽真空系统（7）、H热导检测器（8）、显示器（9）、水循环冷却系统（10）、真空计（11）、炉体（12），炉体（12）包括炉盖（1）、炉外壳（2）、保温层（13），保温层（13）位于炉外壳的内部；炉体（12）的侧壁上安装有进气口（3）、放气阀（4）、温度传感器（6）、抽真空系统（7）、真空计（11）和水循环冷却系统（10），进气口（3）、放气阀（4）、温度传感器（6）、抽真空系统（7）、真空计（11）均穿过炉体的保温层与炉体的内部连通，水循环冷却系统（10）位于炉外壳（2）与保温层（13）之间；抽真空系统（7）与H热导检测器（8）连接，H热导检测器（8）与显示器（9）连接。
5.根据权利要求4所述调控氢含量提高氢化钛粉制备钛合金性能的方法所用装置，其特征在于：抽真空系统（7）含机械泵和扩散泵。
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- 2017-03-23 CN CN201710176252.3A patent/CN107083498B/zh active Active
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