CN107287459A - 一种细晶钛铝粉末成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及材料领域，尤其是钛铝系金属间化合物领域，具体涉及一种细晶钛铝粉末成型方法。本发明提供了冷等静压成型包套的设计方法以及不同制粉工艺下钛铝粉末的成型方法，并对成型性能良好的压坯进行致密体烧结。方法：分别将原始球形预合金钛铝粉末和元素粉末在行星式球磨机和滚抛机上进行混粉，再将上述方法所制备的钛铝粉末充填到橡胶包套中并不断振实；然后将橡胶包套以及相应工装置于冷等静压机上近净成型，并将成型好的压坯于真空烧结炉中烧结出所需圆棒型试样或小型构件。该方法可以实现钛铝粉末构件的近净成型技术，且组织晶粒细小，内部冶金质量和尺寸偏差控制良好。

Description

一种细晶钛铝粉末成型方法
技术领域
本发明涉及材料领域，尤其是钛铝系金属间化合物领域，具体涉及一种细晶钛铝粉末成型方法。
背景技术
随着高性能航空武器装备的发展，对耐高温材料提出了迫切需求。钛铝系金属间化合物以其质量轻，高温性能优异等一系列优点成为了替代高温合金实现发动机减重的关键候选材料。目前，关于粉末冶金钛铝合金的研究，按制粉方法主要分为混合元素法和预合金法；按成型方法主要分为热等静压、冷等静压、温压、注射成型等。
目前，通常采用预合金粉末结合热等静压成型方法制备粉末TiAl合金构件，但为了降低生产成本，在某些粉末TiAl合金构件中采用混合元素法/预合金法结合冷等静压成型以及后续热加工处理的制备方法。但是，现有的粉末冶金法制备TiAl合金构件存在以下问题：一、湿法元素混合法在混粉过程中，由于Ti粉末本身所具有的高活性，外加湿混介质的引入，因此易使Ti粉氧化，引起粉末中氧含量增加，同时在粉末均匀化控制方面，粉末存在局部不均匀性；二、预合金法制备的钛铝粉末由于原始粉末形状和硬度等综合因素的影响，在冷等静压过程中粉末颗粒与颗粒之间的结合强度低，导致压坯成型强度低，使预合金钛铝粉末存在冷等静压成型性难的问题。专利“一种高致密度细晶钛合金的热等静压制备方法(CN 104694774A)公开了一种高致密度细晶钛合金的热等静压制备方法，该方法采用湿法混粉、冷压、烧结的工艺来制备钛合金，并结合热等压提高合金的致密度，其不足在于所制备的粉末氧含量高、局部存在不均匀性，需要后续热等静压工序来提高合金的致密度，所以导致生产效率低，生产成本高。因此，发明一种改进的低成本细晶钛铝粉末成型方法十分必要。
发明内容
提供一种改进的细晶钛铝合金的制备方法，以实现元素钛铝粉末的均匀化制备、降低混粉过程中氧含量、解决预合金钛铝粉末冷等静压成型难等问题，同时保证粉末钛铝合金内部冶金质量和尺寸偏差的控制，最终达到改善钛铝合金性能，降低生产成本的目的。
为达到上述目的，本发明采用的技术解决方案如下：
细晶钛铝粉末成型方法具体包括如下工艺步骤：
(1)钛铝合金粉末的制备，制备方法为如下之一：
方法一按钛铝合金成分的配比称取各组分，其原子比为Al:Nb:Cr＝48:2:2，余量为Ti，将称取的组分记为原料，分别将原料、不锈钢球放入混料罐中，将混料罐密封后于滚抛机上进行混料，混料机转动频率为20～40HZ，混料时间为5～10h，然后用筛网将混合后的钛铝粉和钢球进行分离，得到均匀的钛铝混合粉末，原料、钢磨球的质量比为10～40:1～3；
方法二选取球形的气雾化钛铝粉末为原料，气雾化钛铝粉末的成分配比与方法一相同，分别将原料、不锈钢球放入球磨罐中，将球磨罐密封后进行干法球磨，球磨罐的转速为350r/min，球磨时间为1～12h，然后将钢球分离，得到细化均匀的钛铝合金粉末，原料、钢磨球的质量比为1～2:10～30；
(2)包套设计
按照设计的烧结样品的形状制备所需包套，包套设计为两端开口形的橡胶包套，采用天然橡胶塞进行两端密封，并通过喉结对橡胶塞和包套进行紧固；
(3)冷等静压成型
将步骤(1)所得到的钛铝粉末装入步骤(2)所设计的橡胶包套后，采用冷等静压成型方法，得到坯料，冷等静压成型的压力为250～400MPa，时间为2～120min；
(4)致密体烧结
将步骤(3)所得到的压坯进行真空烧结，真空度为1×10-5Pa，烧结温度为1000～1450℃，烧结时间为20min～300min，升温速率为2～40℃/min，随炉冷却得到烧结样品。
所采用直径大小相间的不同配比钢球，钢球直径范围为4～15mm。
所采用的球磨罐为不锈钢罐，所采取的混料罐内胆为塑料桶，外壁为钢罐，且内胆与钢罐之间的空隙用棉花塞实，加以固定。
所述步骤(4)中，升温速率5～20℃/min，致密体烧结采用随炉冷却。
所述步骤(3)中，根据成型产品形状采用辅助工装进行冷等静成型。
本发明具有的优点和有益效果，
本发明提供了一种改进了的低成本细晶钛铝粉末成型方法，能够实现元素钛铝粉末的均匀化制备、降低混粉过程中氧含量、解决预合金钛铝粉末冷等静压成型难等问题，同时保证了粉末钛铝合金内部冶金质量和尺寸偏差控制，最终提高钛铝合金性能，降低钛铝合金生产成本，本方法简单易行，具有明显的经济性和实用性，可以应用于大部分冷等静压结构件的制备。
本发明提供了冷等静压成型包套的设计方法以及不同制粉工艺下钛铝粉末的成型方法，并对成型性能良好的压坯进行致密体烧结。方法：分别将原始球形预合金钛铝粉末和元素粉末在行星式球磨机和滚抛机上进行混粉，再将上述方法所制备的钛铝粉末充填到橡胶包套中并不断振实；然后将橡胶包套以及相应工装置于冷等静压机上近净成型，并将成型好的压坯于真空烧结炉中烧结出所需圆棒型试样或小型构件。该方法可以实现钛铝粉末构件的近净成型技术，且组织晶粒细小，内部冶金质量和尺寸偏差控制良好。
具体优点和有益效果体现在如下几方面：一、本发明采用(混合元素粉或球磨预合金粉)+冷等静压+真空烧结的方法成型制备细晶钛铝合金，其中各工艺路线所涉及的工艺步骤均可在通用设备上实现，并且设计用于冷等静压成型的橡胶包套及工装均可重复反复利用，相比于热冷静压及温压成型方法，可降低成本，有利于工程化应用；二、与传统铸造钛铝合金相比，本发明所成型出的钛铝合金显微组织细小，生产周期短，且性能可达到锻造水平；三、本发明制粉方法一中采用混合元素粉，不仅有利于合金成分的调整及控制，而且能够实现粉末的均匀化的制备；四、本发明通过球磨预合金粉末，改变预合金粉末形貌及粒度配比，实现了细晶钛铝预合金粉末的冷等静压成型，获得细晶钛铝合金。
附图说明
图1是采用元素混合法制备的混合钛铝粉末形貌；
图2是原始气雾化球形钛铝粉末形貌；
图3是球磨后的预合金钛铝粉末形貌；
图4是用于成型棒状试样的橡胶包套外观透视图；
图5是沿着图4的A-A线剖开的截面图；
图6是用于成型环形件的橡胶包套及辅助工装的外观透视图；
图7是沿着图6的A-A线剖开的截面图.
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
本发明提供了冷等静压成型包套的设计方法和不同钛铝粉末制备工艺下的冷等静压成型性结果，并对成型性能良好的压坯进行致密体烧结研究。
基于一种低成本细晶钛铝粉末成型方法，具体是通过以下步骤实现：
(1)钛铝合金粉末的制备，制备方法为如下之一：
方法一按钛铝合金成分的配比称取各组分，其原子比为Al:Nb:Cr＝48:2:2，余量为Ti，将称取的组分记为原料，分别将原料、不锈钢球放入混料罐中，将混料罐密封后于滚抛机上进行混料，混料机转动频率为27HZ，混料时间为5～10h，然后用筛网将混合后的钛铝粉和钢球进行分离，得到均匀的钛铝混合粉末，原料、钢磨球的质量比为10～40:1～3；
方法二选取球形的气雾化钛铝粉末为原料，气雾化钛铝粉末的成分配比与方法一相同，分别将原料、不锈钢球放入球磨罐中，将球磨罐密封后进行干法球磨，球磨罐的转速为350r/min，球磨时间为1～12h，然后将钢球分离，得到细化均匀的钛铝合金粉末，原料、钢磨球的质量比为1～2:10～30；
(2)包套设计
按照设计的烧结样品的形状制备所需包套，包套设计为两端开口形的橡胶包套1(利于粉末的振实和均匀填充)，采用天然橡胶塞4进行两端密封，并通过喉结5对橡胶塞4和包套进行紧固，以实现良好的密封效果。
(3)冷等静压成型
将步骤(1)所得到的钛铝粉末装入步骤(2)所设计的橡胶包套后，采用冷等静压成型方法，得到坯料，冷等静压成型的压力为250～400MPa，时间为2～120min；
(4)致密体烧结
将步骤(3)所得到的压坯进行真空烧结，真空度为1×10-5Pa，烧结温度为1000～1450℃，烧结时间为20min～300min，升温速率为2～40℃/min，随炉冷却得到烧结样品。
所采用直径大小相间的不同配比钢球，钢球直径范围为4～15mm，获得均匀混合的钛铝粉末。
所采用的球磨罐为不锈钢罐，所采取的混料罐内胆为塑料桶，外壁为钢罐，且内胆与钢罐之间的空隙用棉花塞实，以起到固定及缓冲作用。
所述步骤(4)中，升温速率5～20℃/min，致密体烧结采用随炉冷却。
所述步骤(3)中，根据成型产品形状采用辅助工装进行冷等静压成型。
实施例1
本实施方式的步骤及工艺流程如下：
混粉。原始氢化脱氢Ti粉(纯度＞99％)、Al粉(纯度＞99％)、Al-Nb粉(纯度＞99％)、Cr粉(纯度＞99％)按照原子比为48:48:2:2进行配比，将原始粉末与不锈钢球均放入混料机中进行混料，其中不锈钢球直径为和两种混合，混料机转动频率设定为27HZ，混料时间为8h，然后用筛网将混合后的钛铝粉和钢球进行分离，得到混合均匀的钛铝粉末。
装粉。请参照图4和图5，将混合后的菱形TiAl粉末填充于橡胶包套1的空腔3中，装粉过程中需不断将粉末颗粒摇匀振实。本实施方案采用的橡胶包套1为两端开口的桶形包套，并通过天然橡胶塞4以及可调节的喉结5进行两端密封，得到棒状试样的粉末预成型包套。
冷等静压成型。将上述所述包套于冷等静压机上进行成型，其中传压介质为有机乳浊液，成型圆柱形棒状试样的压力设置为350MPa，保压时间为2min，得到成型压坯。
真空烧结。将冷等静压成型的压坯于真空烧结炉中进行烧结，真空度为1×10-5Pa，烧结温度为1350℃，保温时间为3h，冷却得到烧结态棒状试样，直径偏差控制在5％以内。
实施例2
本实施方式的步骤及工艺流程如下：
制粉。原始气雾化球形钛铝粉末(纯度＞99.99％)，分别将原料、不锈钢球放入球磨罐中，将球磨罐密封后于进行干法球磨，球磨罐的转速为350r/min，球磨时间设定为3.5h，得到球磨细化后的菱形钛铝粉末，其粉粒径范围为20～60μm。
装粉。请参照图4和图5，将球磨后的菱形TiAl粉末填充于橡胶包套1的空腔3中，装粉过程中需不断将粉末颗粒摇匀振实。本实施方案采用的橡胶包套1为两端开口的桶形包套，并通过天然橡胶塞4以及可调节的喉结5进行两端密封，得到棒状试样的粉末预成型包套。
冷等静压成型。将上述所述包套于冷等静压机上进行成型，其中传压介质为有机乳浊液，成型圆柱形棒状试样的压力设置为350MPa，保压时间为40min，得到成型压坯。
真空烧结。将冷等静压成型的压坯于真空烧结炉中进行烧结，真空度为1×10-5Pa，烧结温度为1350℃，保温时间为3h，冷却得到烧结态棒状试样，直径偏差控制在5％以内。
实施例3
原始气雾化球形钛铝粉末(纯度＞99.99％)，分别将原料、不锈钢球放入球磨罐中，将球磨罐密封后于进行干法球磨，球磨罐的转速为350r/min，球磨时间设定为5h，得到两种不同粒径范围的钛铝粉末，分别为粒径100-200μm的团聚粉和8μm左右的针状及片状超细粉。
装粉。请参照图4和图5，将混合后的TiAl菱形粉末填充于橡胶包套1的空腔3中，装粉过程中需不断将粉末颗粒摇匀振实。本实施方案采用的橡胶包套1为两端开口的桶形包套，并通过天然橡胶塞4以及可调节的喉结5进行两端密封，得到棒状试样的粉末预成型包套。
冷等静压成型。将上述所述包套于冷等静压机上进行成型，其中传压介质为有机乳浊液，成型圆柱形棒状试样的压力设置为350MPa，保压时间为40min，其中粒径为100-200μm的团聚钛铝粉末得到成型压坯。
真空烧结。将冷等静压成型的压坯于真空烧结炉中进行烧结，真空度为1×10-5Pa，烧结温度为1400℃，保温时间为3h，冷却得到烧结态样品，直径偏差控制5％。
实施例4
混粉。原始氢化脱氢Ti粉(纯度＞99％)、Al粉(纯度＞99％)、Al-Nb粉(纯度＞99％)、Cr粉(纯度＞99％)按照原子比为48:48:2:2进行配比，将原始粉末与不锈钢球均放入混料机中进行混料，其中不锈钢球直径为和两种混合，混料机转动频率设定为27HZ，混料时间为8h，然后用筛网将混合后的钛铝粉和钢球进行分离，得到混合的钛铝粉末。
装粉。请参照图6和图7，将混合后的菱形片状TiAl粉末填充于橡胶包套1的空腔3中，该包套为一端具有四处装粉口的圆环状橡胶包套，并将其放置在周身具有等大圆形孔洞的金属工装2中固定，装粉过程中需不断将粉末颗粒摇匀振实，采用天然橡胶塞对四处装粉口进行密封，得到环形样件的粉末预成型包套。
冷等静压成型。将上述所述包套于冷等静压机上进行成型，其中传压介质为有机乳浊液，成型环形试样的压力设置为400MPa，保压时间为120min。在卸载过程中保持匀速卸载。
真空烧结。将冷等静压成型的压坯于真空烧结炉中进行烧结，真空度为1×10-5Pa，烧结温度为1450℃，保温时间为3h，冷却得到烧结态样品，直径偏差控制7％。
本发明采用行星式高能球磨机，通过改变原始粉末的形貌，实现了预合金粉末的冷等静压近净成型，并采用元素混粉方法冷等静压成型烧结制备出棒状试样以及环形样件。与现有技术相比，该发明更适合成型低成本细晶钛铝合金，是生产高性能钛铝合金零部件的较为理想方法。该发明不局限于上述的具体实施方式，该发明可扩展到任何在本发明说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任一新的组合。

Claims (5)

1.一种细晶钛铝粉末成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)钛铝合金粉末的制备，制备方法为如下之一：
方法一 按钛铝合金成分的配比称取各组分，其原子比为Al:Nb:Cr＝48:2:2，余量为Ti，将称取的各组分记为原始粉末，分别将原始粉末、不锈钢球放入混料罐中，将混料罐密封后于滚抛机上进行混料，混料机转动频率为20～40HZ，混料时间为5～10h，然后用筛网将混合后的钛铝粉和钢球进行分离，得到均匀的钛铝混合粉末，原料、钢磨球的质量比为10～40:1～3；
方法二 选取球形的气雾化钛铝粉末为原料，气雾化钛铝粉末的成分配比与方法一相同，分别将原料、不锈钢球放入球磨罐中，将球磨罐密封后进行干法球磨，球磨罐的转速为350r/min，球磨时间为1～12h，然后将钢球分离，得到细化均匀的钛铝合金粉末，原料、钢磨球的质量比为1～2:10～30；
(2)包套设计
按照设计的烧结样品的形状制备所需包套，包套设计为两端开口形的橡胶包套，采用天然橡胶塞进行密封，并通过喉结对橡胶塞和包套进行紧固；
(3)冷等静压成型
将步骤(1)所得到的钛铝粉末装入步骤(2)所设计的橡胶包套后，采用冷等静压成型方法，得到坯料，冷等静压成型的压力为250～400MPa，时间为2～120min；
(4)致密体烧结
将步骤(3)所得到的压坯进行真空烧结，真空度为1×10-5Pa，烧结温度为1000～1450℃，烧结时间为20min～300min，升温速率为2～40℃/min，随炉冷却得到烧结样品。
2.根据权利要求1所述的一种细晶钛铝粉末成型方法，其特征在于所采用直径大小相间的不同配比钢球，钢球直径范围为4～15mm。
3.根据权利要求1所述的一种细晶钛铝粉末成型方法，其特征在于所采用的球磨罐为不锈钢罐，所采取的混料罐内胆为塑料桶，外壁为钢罐，且内胆与钢罐之间的空隙用棉花塞实，加以固定。
4.根据权利要求1所述的一种细晶钛铝粉末成型方法，其特征在于，所述步骤(4)中，升温速率5～20℃/min，致密体烧结采用随炉冷却。
5.根据权利要求1所述的一种细晶钛铝粉末成型方法，其特征在于，所述步骤(3)中，根据成型产品形状采用辅助工装进行冷等静压成型。
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