CN107971484A - 一种钛铝合金的烧结工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钛铝合金的烧结工艺，属于合金制备技术领域。所述烧结工艺包括以下步骤：S1、将原料混合，其中原料为氢化钛、铝粉、氢化锆以及三氧化二硼，随后添加PVA水溶液进行水基球磨，球磨时间2‑5h；S2、将上述混合粉末装入模具施加超声波处理，随后施以压力成型，反复施加超声波处理、压力处理3‑5次，得成型坯体；S3、将上述成型坯体在高温真空炉内氩气保护下烧结，烧结温度为1900‑2100℃，炉内温度达到烧结温度后保温烧结3‑5h。

Description

一种钛铝合金的烧结工艺
技术领域
本发明涉及一种钛铝合金的烧结工艺，属于合金制备技术领域。
背景技术
钛铝合金密度低、耐热性好，具有高的比强度、比刚度，以及高的抗高温蠕变性能和抗氧化能力，且生物相容性优异，因而成为超高音速飞行器和下一代先进航空发动机的首选材料，除了在航空航天领域外，钛铝合金在化学工业、人体植入物如髋关节替代品或者近海工业、能源工业中的应用也逐渐增加。此外钛铝合金在体育用品和日常消费品领域，如高尔夫球棒、自行车或珠宝饰物中的需求量也越来越多，使得钛铝合金已经成为了我们日常生活中的一部分。钛铝合金在汽车用材上的应用也已引起人们的关注。
目前，制备钛铝合金的方法主要有粉末烧结、铸锭冶金等。这些方法都是采用纯金属钛与金属铝等作为原料，但由于金属钛价格非常昂贵，这就使得制备钛铝合金的成本非常高，难以将钛铝合金大规模生产。中国专利申请(公开号CN101871055A)公开了一种生产钛铝合金的方法，以钛的氧化物钛白粉作为原料进行冶炼，该方法相比传统方法，降低了钛铝合金的生产成本，但是该方法存在如下缺点：所得的钛铝合金产品氧含量较高，杂质含量高等。
且以目前方法获得的钛铝合金强度和塑性作为反比存在，当钛铝合金具有良好的强度时，其塑性较差，当塑性好时，强度差，这些问题严重地制约了其使用。
发明内容
针对现有技术钛铝合金存在的缺点，本发明提供一种钛铝合金的烧结工艺，获得的钛铝合金具有良好强度和韧性。
本发明的上述目的可通过下列技术方案来实现：一种钛铝合金的烧结工艺，所述烧结工艺包括以下步骤：
S1、将原料混合，其中原料为氢化钛、铝粉、氢化锆以及三氧化二硼，随后添加PVA水溶液进行水基球磨，球磨时间2-5h；
S2、将上述混合粉末装入模具施加超声波处理，随后施以压力成型，反复施加超声波处理、压力处理3-5次，得成型坯体；
S3、将上述成型坯体在高温真空炉内氩气保护下烧结，烧结温度为1900-2100℃，炉内温度达到烧结温度后保温烧结3-5h。
本发明以氢化钛、铝粉、氢化锆以及三氧化二硼作为钛铝合金的原料，其中锆在钛铝合金中主要起固溶强化作用，与铝一起还起到稳定α相的作用，可提高合金室温及高温的抗拉强度和耐热性能。原料中的三氧化二硼能明显降低烧结温度，形成液相烧结，有助于降低孔隙率，提高致密度机械性能。在球磨过程中通过添加适量的PVA水溶液，不仅仅可以起到粘结剂的作用，还可以在在一定程度上作为碳源，而且PVA作为一种极性材料，溶于水溶液，对环境污染小，易降解，并且与原材料表面具有良好的亲和力，改善研磨时各原料粉体之间的相容性，促进材料粉体互容均化。混合粉末装入模具后，先使用超声波处理，利用超声波的空化效应以去除混合粉末中的空气，增加粉末致密度，然后再对粉末施以压力成型，在反复施加超声波处理、施以压力处理3-5次下，逐渐去除粉末中的空气，压实粉末，使得模具内的粉末变得紧密均匀，提高后续烧结质量；超声波的独特效应有利于合金晶粒组织的细化。
作为优选，所述S2步骤中，每次施加超声波的功率为500-800W、超声30-60s，每次施加的压力为50-100MPa、保压30-60s。对粉末施加的压力应该适宜，压力过大，模具中的粉末被紧密压实，后续超声波处理也很难将粉末内的空气排出，压力过小，不能起到成型目的。
作为优选，所述模具内表面设有多孔石墨层，所述多孔石墨孔径为0.5-10nm。钛铝合金在烧结过程中，各成分呈熔融状态，在此过程中易产生气体(包括氧气)以及杂质，对烧结质量产生非常恶劣的影响，然而烧结是真空密封环境下进行，因此很难对产生的气体和杂质进行净化处理。本发明在模具内表面设置多孔石墨层，孔径为0.5-10nm，其能有效吸附烧结过程中产生的气体和杂质，净化钛铝合金，细化晶粒，提高了烧结活性，从而提高烧结密度。
作为优选，所述原料中氢化钛所占重量比为65-75％，铝粉所占重量比为15-20％，氢化锆所占重量比为5-10％以及三氧化二硼所占重量比为2-5％。
作为优选，所述氢化钛、铝粉、氢化锆以及三氧化二硼的粒度分别为1-5μm、8-15μm、0.3-3μm以及20-30μm。本发明选用的原料粒度大小不一，一方面，不规则形状的粉末能够增强压坯中混合粉末颗粒之间的机械啮合力，提高压坯强度，进而减少压坯弹性后效现象的出现，且形状不规则的粉末颗粒表面较粗糙，在压制过程中能够形成密实的结合，不同目数的粗粉和细粉搭配使用，可以保证在装粉时减少孔隙度，实现充分填充，压制得到的压坯密度和强度都会增加，促进烧结过程的进行。另一方面，原料粒度与熔点有关，熔点较高的原料，选择相对较低的粒度，从而起到平衡粒度对粉末材料熔融的影响以及平衡材料熔点之间的关系(原料的熔点为一个范围，所选择的原料粒度越小，其对应的熔点就相对越低)的作用，合金组织各相在烧结过程中分布均匀，提高烧结质量，赋予产品良好的力学性能。
作为优选，所述球磨浆料浓度为(以固形物质量百分数计)55-65％。当浆料的浓度增大时，浆料内悬浮物之间的距离减小，物质之间的相互碰撞更加频繁；当浆料的浓度减小时，浆料内悬浮物之间的距离增大，相互之间碰撞的几率减少，而且强度也会因此而减弱。因此随着浆料浓度的增大，球磨出来的原料平均粒度也逐渐变小，浆料增到到一定浓度后对粒度不会产生影响。
作为优选，所述烧结工艺在步骤S3高温烧结之后，快速以20-50℃/S的速度降至-50～-100℃，保持温度加电脉冲处理50-100min，其中电脉冲电压为1000-3000V。烧结之后，快速降温，钛铝合金组织快速凝固，凝固的组织在低温电脉冲作用下，晶粒逐渐细化，从而获得更精细的晶粒组织，且组织各相在低温电脉冲作用均匀分布，获得独特的组织结构，最终使钛铝合金的综合性能得到大幅度提高。
与现有技术相比，本发明的烧结工艺通过控制烧结原料的粒度分布、对粉末反复施加超声波处理和压力处理以及设置多孔石墨层，各种机制间的相互作用，最终使钛铝合金具有良好的力学性能，扩大其应用范围。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。
实施例1
将氢化钛、铝粉、氢化锆以及三氧化二硼混合，其中，原料中氢化钛所占重量比为70％，铝粉所占重量比为18％，氢化锆所占重量比为8％以及三氧化二硼所占重量比为4％，氢化钛、铝粉、氢化锆以及三氧化二硼的粒度为3μm，随后添加PVA水溶液，使得球磨浆料浓度为(以固形物质量百分数计)60％，进行水基球磨3h；
将上述混合粉末装入模具中，所述模具内表面设有多孔石墨层，多孔石墨的孔径为5nm，对模具施加600W超声波处理40s，随后施以200MPa压力保压成型50s，反复以同样的条件施加超声波处理、施以压力处理3次；
将上述成型坯体在高温真空炉内氩气保护下烧结，烧结温度为2000℃，炉内温度达到烧结温度后保温烧结4h。
实施例2
将氢化钛、铝粉、氢化锆以及三氧化二硼混合，其中，原料中氢化钛所占重量比为70％，铝粉所占重量比为18％，氢化锆所占重量比为8％以及三氧化二硼所占重量比为4％，氢化钛、铝粉、氢化锆以及三氧化二硼的粒度分别为10μm、3μm、20μm以及5μm，随后添加PVA水溶液，使得球磨浆料浓度为(以固形物质量百分数计)60％，进行水基球磨3h；
将上述混合粉末装入模具中，所述模具内表面设有多孔石墨层，多孔石墨的孔径为5nm，对模具施加600W超声波处理40s，随后施以200MPa压力保压成型50s，反复以同样的条件施加超声波处理、施以压力处理3次；
将上述成型坯体在高温真空炉内氩气保护下烧结，烧结温度为2000℃，炉内温度达到烧结温度后保温烧结4h。
实施例3
将氢化钛、铝粉、氢化锆以及三氧化二硼混合，其中，原料中氢化钛所占重量比为70％，铝粉所占重量比为18％，氢化锆所占重量比为8％以及三氧化二硼所占重量比为4％，氢化钛、铝粉、氢化锆以及三氧化二硼的粒度分别为5μm、10μm、3μm以及20μm，随后添加PVA水溶液，使得球磨浆料浓度为(以固形物质量百分数计)60％，进行水基球磨3h；
将上述混合粉末装入模具中，所述模具内表面设有多孔石墨层，多孔石墨的孔径为5nm，对模具施加600W超声波处理40s，随后施以200MPa压力保压成型50s，反复以同样的条件施加超声波处理、施以压力处理3次；
将上述成型坯体在高温真空炉内氩气保护下烧结，烧结温度为2000℃，炉内温度达到烧结温度后保温烧结4h。
实施例4
将氢化钛、铝粉、氢化锆以及三氧化二硼混合，其中，原料中氢化钛所占重量比为70％，铝粉所占重量比为18％，氢化锆所占重量比为8％以及三氧化二硼所占重量比为4％，氢化钛、铝粉、氢化锆以及三氧化二硼的粒度分别为5μm、10μm、3μm以及20μm，随后添加PVA水溶液，使得球磨浆料浓度为(以固形物质量百分数计)60％，进行水基球磨3h；
将上述混合粉末装入模具中，所述模具内表面设有多孔石墨层，多孔石墨的孔径为5nm，对模具施加600W超声波处理40s，随后施以80MPa压力保压成型50s，再加600W超声波处理40s，施以80MPa压力保压成型50s。
将上述成型坯体在高温真空炉内氩气保护下烧结，烧结温度为2000℃，炉内温度达到烧结温度后保温烧结4h。
实施例5
将氢化钛、铝粉、氢化锆以及三氧化二硼混合，其中，原料中氢化钛所占重量比为70％，铝粉所占重量比为18％，氢化锆所占重量比为8％以及三氧化二硼所占重量比为4％，氢化钛、铝粉、氢化锆以及三氧化二硼的粒度分别为5μm、10μm、3μm以及20μm，随后添加PVA水溶液，使得球磨浆料浓度为(以固形物质量百分数计)60％，进行水基球磨3h；
将上述混合粉末装入模具中，所述模具内表面设有多孔石墨层，多孔石墨的孔径为5nm，对模具施加600W超声波处理40s，随后施以80MPa压力保压成型50s，反复以同样的条件施加超声波处理、施以压力处理3次；
将上述成型坯体在高温真空炉内氩气保护下烧结，烧结温度为2000℃，炉内温度达到烧结温度后保温烧结4h。
实施例6
将氢化钛、铝粉、氢化锆以及三氧化二硼混合，其中，原料中氢化钛所占重量比为70％，铝粉所占重量比为18％，氢化锆所占重量比为8％以及三氧化二硼所占重量比为4％，氢化钛、铝粉、氢化锆以及三氧化二硼的粒度分别为5μm、10μm、3μm以及20μm，随后添加PVA水溶液，使得球磨浆料浓度为(以固形物质量百分数计)60％，进行水基球磨3h；
将上述混合粉末装入模具中，所述模具内表面设有多孔石墨层，多孔石墨的孔径为5nm，对模具施加600W超声波处理40s，随后施以80MPa压力保压成型50s，反复以同样的条件施加超声波处理、施以压力处理3次；
将上述成型坯体在高温真空炉内氩气保护下烧结，烧结温度为2000℃，炉内温度达到烧结温度后保温烧结4h。高温烧结之后，快速以30℃/S的速度降至-80℃，保持温度加电脉冲处理80min，其中电脉冲电压为2000V。
实施例7
将氢化钛、铝粉、氢化锆以及三氧化二硼混合，其中，原料中氢化钛所占重量比为75％，铝粉所占重量比为15％，氢化锆所占重量比为7％以及三氧化二硼所占重量比为3％，氢化钛、铝粉、氢化锆以及三氧化二硼的粒度分别为1μm、15μm、0.3μm以及25μm，随后添加PVA水溶液，使得球磨浆料浓度为(以固形物质量百分数计)65％，进行水基球磨5h；
将上述混合粉末装入模具中，所述模具内表面设有多孔石墨层，多孔石墨的孔径为8nm，对模具施加800W超声波处理30s，随后施以100MPa压力保压成型40s，反复以同样的条件施加超声波处理、施以压力处理4次；
将上述成型坯体在高温真空炉内氩气保护下烧结，烧结温度为2100℃，炉内温度达到烧结温度后保温烧结3h。
实施例8
将氢化钛、铝粉、氢化锆以及三氧化二硼混合，其中，原料中氢化钛所占重量比为65％，铝粉所占重量比为20％，氢化锆所占重量比为10％以及三氧化二硼所占重量比为5％，氢化钛、铝粉、氢化锆以及三氧化二硼的粒度分别为4μm、8μm、2μm以及20μm，随后添加PVA水溶液，使得球磨浆料浓度为(以固形物质量百分数计)55％，进行水基球磨3h；
将上述混合粉末装入模具中，所述模具内表面设有多孔石墨层，多孔石墨的孔径为1nm，对模具施加500W超声波处理60s，随后施以50MPa压力保压成型50s，反复以同样的条件施加超声波处理、施以压力处理3次；
将上述成型坯体在高温真空炉内氩气保护下烧结，烧结温度为1900℃，炉内温度达到烧结温度后保温烧结5h。
对比例1
对比例1与实施例5的区别在于，对比例1中的原料不包括三氧化二硼，其它与实施例5相同。
对比例2
对比例2与实施例5的区别在于，对比例2没有经过超声波处理，其它与实施例5相同。
对比例3
对比例3与实施例5的区别在于，对比例3的模具内表面没有多孔石墨层，其它与实施例5相同。
对比例4
对比例4与实施例5的区别在于，对比例5的模具内表面的多孔石墨层孔径为20nm，其它与实施例5相同。
对实施例1-8和对比例1-4制备得到的钛铝合金的性能进行测试，性能测试结果如表1所示。
表1本发明实施例1-8与对比例1-4的钛铝合金的性能测试结果
从表1中可以看出，实施例5-8的力学性质优良，硬度大，韧性优，对比例1-4制备钛铝合金的过程不在本发明技术方案保护范围内，获得钛铝合金的性能相对于实施例5有很大降低。
本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (6)

1.一种钛铝合金的烧结工艺，其特征在于，所述烧结工艺包括以下步骤：
S1、将原料混合，其中原料为氢化钛、铝粉、氢化锆以及三氧化二硼，随后添加PVA水溶液进行水基球磨，球磨时间2-5h；
S2、将上述混合粉末装入模具施加超声波处理，随后施以压力成型，反复施加超声波处理、压力处理3-5次，得成型坯体；
S3、将上述成型坯体在高温真空炉内氩气保护下烧结，烧结温度为1900-2100℃，炉内温度达到烧结温度后保温烧结3-5h。
2.根据权利要求1所述的钛铝合金的烧结工艺，其特征在于，所述S2步骤中，每次施加超声波的功率为500-800W、超声30-60s，每次施加的压力为50-100MPa、保压30-60s。
3.根据权利要求1所述的钛铝合金的烧结工艺，其特征在于，所述模具内表面设有多孔石墨层，所述多孔石墨孔径为0.5-10nm。
4.根据权利要求1所述的钛铝合金的烧结工艺，其特征在于，所述原料中氢化钛所占重量比为65-75％，铝粉所占重量比为15-20％，氢化锆所占重量比为5-10％以及三氧化二硼所占重量比为2-5％。
5.根据权利要求1所述的钛铝合金的烧结工艺，其特征在于，所述氢化钛、铝粉、氢化锆以及三氧化二硼的粒度分别为1-5μm、8-15μm、0.3-3μm以及20-30μm。
6.根据权利要求1所述的钛铝合金的烧结工艺，其特征在于，所述球磨浆料浓度为(以固形物质量百分数计)55-65％。
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