CN108838404B - 钛合金低成本近净成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钛合金低成本近净成形方法，包括：将氢化钛合金粉末和/或氢化脱氢钛合金粉末装入包套‑模芯模具中，振实；采用冷等静压使模具中的粉末成形；去除包套，加热预烧结；继续加热高温烧结；真空加热脱氢处理，得到制件毛坯；外表面加工制成钛合金制件，去除模芯形成制件的内腔结构。本发明是钛合金粉末冶金技术的成功应用，是一种经济、实用的加工技术，攻克了制约钛合金扩大应用的瓶颈，能大幅度地降低钛合金零件的制造成本，提高零件的使用性能，为钛合金的广泛应用提供坚实的基础。
Description
技术领域
本发明涉及金属加工技术领域，特别涉及一种钛合金低成本近净成形方法。
背景技术
钛及钛合金具有比强度高、耐腐蚀、表面美观等多种功能，受到各个领域的欢迎，但是由于常规钛合金铸材性能偏低，可靠性较差，常规钛合金锻材的最终材料利用率低，因此导致钛合金的自身材料成本较高，使它的应用和推广受到了一定的限制。粉末近净成形技术被认为是降低成本的一种行之有效的方法，并随着制粉工艺和成形技术的改进和发展而显示了强大的竞争力。粉末近净成形技术兼具铸造和锻造的优势，一方面可实现复杂构件的近净成形；另一方面，合金高度致密，无成分偏析，组织均匀细小，从而可获得优异的性能。为了获得接近最终形状和尺寸的构件，往往需要采用雾化球形钛合金粉末作为原料粉末，由于该类粉末硬度高，压制性差，只能通过热压或热等静压成形。
利用氢处理技术改善粉末冶金件的组织和性能是一个重要的研究方向。纯度较高的海绵钛在常温常压下比较软而且韧性较大，要直接将其粉碎制钛粉比较困难，而钛吸氢后形成的氢化物容易破碎，利用钛在一定高温下能快速地吸收大量氢气生产氢化钛，使具有韧性的海绵钛变脆的特性，通过破碎可容易的制备细的粉末，并且氢元素可通过真空高温轻易除去。此外，加氢钛合金粉末粘着能力和塑性的增强，可以在比常规工艺低得多的温度(50～150℃)，或者标准工艺的固结温度，以标准工艺的50％～70％固结压力获得高质量的制件条件下获得高质量的制件，并缩短过程时间。此外，热氢处理是钛合金特有的一种热处理方式，当钛合金中氢含量达到规定浓度时，氢能够使钛合金组织结构发生变化，促使其工艺性能和力学性能得到改善。目前，热氢处理技术在钛合金的热加工、机械加工、粉末固结、复合材料制备、微观组织细化等研究中得到了应用，已形成一个独特的研究领域。
在将热氢技术应用于钛合金粉末成形技术方面，US 7993577涉及一种低成本钛合金粉末冶金制备方法，采用元素法，将氢化钛与其它合金元素混合后压制，并进行真空烧结，获得钛合金强度达到950MPa，延伸率10-12％，US 20030211001A1、CN107034375A、CN106191493A中也涉及类似元素粉的压制技术，CN105081314A、CN105734316A在压制获得批料的基础上，进一步通过挤压获得特定内腔形状的钛制品；US 4219357将氢化钛合金粉末封入包套，热压、脱氢、烧结，复压后获得晶粒细小、加工性好的坯料；CN105400982A公开了一种利用氢化钛制备石墨烯增强钛基复合材料的方法，将氢化钛粉末与石墨烯粉末混合均匀后通过冷等静压制成预制体，真空脱氢后采用放电等离子烧结获得性能优异的复合材料；CN107083498A公开了一种氢化钛粉脱氢制备钛合金过程中通过优化烧结工艺调控氢含量，改善粉末冶金钛合金的组织结构和力学性能的方法。综上可以发现，目前涉及的在将热氢技术应用于钛合金粉末成形技术方面，大都采用热压技术制备坯料，然后采用变形技术获得特定形状制件，冷等静压成形技术也仅用于制备简单结构坯料，而不能实现复杂结构的近净成形，在利用冷等静压实现钛合金粉末近净成形方面缺少成功的应用实例。
发明内容
本发明的目的是为解决以上问题，本发明提供一种高性能钛合金的低成本近净成形方法。
一种钛合金低成本近净成形方法，包括以下步骤：
将氢化钛合金粉末和/或氢化脱氢钛合金粉末装入包套-模芯组装的模具中，振实。
采用冷等静压使模具中的粉末成形。
去除包套，加热预烧结。
高温烧结。
真空加热脱氢处理。
外表面加工制成钛合金制件，去除模芯形成制件的内腔结构。
其中，氢化钛合金粉末和/或氢化脱氢钛合金粉末的平均粉末粒度介于30～150μm。
其中，当氢化钛合金粉末和氢化脱氢钛合金粉末同时存在时，氢化脱氢钛合金粉末质量百分含量为5～20％。
其中，粉末成形步骤中，冷等静压压力为100～500MPa，冷等静压时间为0.5～5h。
其中，烧结步骤中，烧结的温度为1200～1340℃，烧结时间为：1～10h，烧结气氛可为真空、惰性气氛或微量氢气氛。
其中，预烧结步骤中，预烧结温度为900～1100℃，时间0.5～1.5h。
其中，脱氢处理步骤中，脱氢温度为650～800℃，时间为1～4h。
其中，真空烧结步骤中，出炉温度低于300℃。
其中，去除模芯的方法为化学腐蚀方法。
其中，包套-模芯模具中，包套的材质为橡胶，模芯材质为碳钢或氧化物陶瓷。
本发明中，采用粒度为30～150μm的粉末可以保证冷等静压后获得毛坯具有较高的致密度，另外，为了获得致密度理想的毛坯，冷等静压压力一般需要达到300MPa以上，在100～300MPa较低的压力下，需要的冷等静压保压时间较长，如4～5h。氢化钛合金粉末中混合氢化脱氢钛合金粉末的目的是为了调节和控制冷等静压后毛坯中的氢含量，从而有效调控烧结后合金的显微组织及力学性能，实验结果表明，过多加入氢化脱氢钛合金粉末不利于最终合金烧结致密化及氧含量的控制，如氢化脱氢钛合金粉末含量超过20％以后，烧结后合金的致密度仅有90％左右，氧含量达到3500ppm以上，从而不能保证获得较好的合金力学性能。氢化钛合金的烧结致密化一般都经过预先脱氢步骤，即在真空气氛下，经过700℃左右保温，通过氢溶于钛合金的可逆反应将氢从钛合金基体中脱除，该专利中先进行烧结再脱氢，主要在于将氢作为烧结过程的临时烧结活化元素，在高温烧结过程中，氢元素一方面可与气氛中的不可避免存在的氧元素反应，从而可以有效控制最终合金中的氧含量，另一方面，通过氢与钛形成临时δ相，起到控制烧结过程晶粒长大、调控合金显微组织结构的作用，后续在真空处理脱氢，获得高性能钛合金及构件。本专利中，烧结气氛根据氢化脱氢钛合金粉末含量的不同，以及混合粉末中总体氢含量的差异进行调节，可为真空烧结、脱氢气氛烧结或者微量氢气氛烧结，以保证烧结过程压坯中维持可控的氢含量。此外，由于氢的活化烧结作用，使得钛合金烧结温度较无氢条件下降低100℃作用，因此，本专利中烧结温度选择1200～1340℃。
本发明具有以下有益效果：
本发明即结合了钛合金热氢技术和钛合金粉末冷等静压+烧结技术的钛合金制备的高性能、低成本工艺路线，又通过可溶性型芯技术实现带内腔结构复杂构件近净成型，是一种经济、实用的加工技术，攻克了制约钛合金扩大应用的瓶颈，能大幅度地降低钛合金零件的制造成本，提高零件的使用性能，为钛合金的广泛应用提供坚实的基础。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了根据本发明实施方式的钛合金低成本近净成形方法制备的圆形管件X的外观图片；
图2示出了根据本发明实施方式的钛合金低成本近净成形方法制备的圆形管件X的显微金相图片；
图3示出了根据本发明实施方式的钛合金低成本近净成形方法制备的圆形管件Y的外观图片；
图4示出了根据本发明实施方式的钛合金低成本近净成形方法制备的圆形管件Y的显微金相图片；
图5示出了根据本发明实施方式的钛合金低成本近净成形方法制备的圆形管件Z的显微金相图片。
具体实施方式
下面将更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然说明书中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明提供一种钛合金低成本近净成形技术，以氢化钛合金粉末、氢化脱氢钛合金粉末或两种粉末的混合物为原材料，平均粉末粒度介于30～150μm；设计特殊结构的由包套和模芯组成的模具，其中包套材质为橡胶，其结构特征为随待成形制件的外形，并留有适当收缩余量和加工余量，保证冷等静压及烧结后，足够加工出制件外表面；模芯材质为碳钢或氧化物陶瓷，其材料特征为致密无法收缩，其结构特征为形状与尺寸与待成形制件内腔结构保持一致，保证冷等静压及烧结成形后，通过去除模芯可获得尺寸精确的制件内腔；将包套和模芯组成通过镶嵌式固定、卯榫式固定等形式装配成模具，将粉末装入模具中，在100～500MPa，0.5～5h进行冷等静压成形，然后在真空、惰性气氛或微量氢气氛下，在900～1100℃预烧结0.5～1.5h，继续加热到1200～1340℃，烧结1～10h，然后在650～800℃脱氢1～4h，最后在并在温度低于300℃出炉，得到制件毛坯。去除包套后，通过线切割、数控加工、车、铣、刨、磨、钻、镗、锯等机械加工方法得到制件外表面，通过化学腐蚀得到制件内腔结构，最终得到钛合金制件。
下面将通过具体实施例的形式对本发明做进一步详细的阐述，实施例分别选择外部直径20mm，内部直径10mm，长100mm的带孔圆柱样件和下端直径40mm，上端口直径20mm，高30mm的圆锥管件作为成形对象。
实施例1
该实施例以带孔圆柱样件作为成形对象。制备内部直径50mm，长100mm，厚3mm的橡胶包套，直径10mm，长40mm的碳钢模芯，以及直径25mm，长20mm碳钢模芯底座，其中一端开直径10mm，深20mm的卡槽，将模芯一端插入底座卡槽后，镶嵌到橡胶包套中；将平均粉末粒度150μm的氢化脱氢TC4粉末和45μm的氢化TC4粉末按照2:8的比例混合，在锥形混料机中混合5h；将混合后的粉末装入包套中，并振实，然后扎紧包套口；将包套进行冷等静压，压力400MPa，时间为2h；将冷等静压后的样剥去包套，然后在氩气保护气氛中烧结：在1100℃预烧结1h，最后在1300℃烧结4h，然后冷却至200℃出炉，最后放入真空炉中，在700℃脱氢2h，真空度10-4pa，200℃出炉；将烧结后的毛坯通过线切割和车屑，加工出直径20mm，长100mm的圆柱；将加工后的试样放入30％的硝酸溶液，腐蚀去除试样中的碳钢模芯，最终得到圆管制件X，见图1，其中1a为该圆管制件X的俯视图，1b为该圆管制件的剖视图。
经检测，圆管制件X的相对密度为98.5％，比常规钛合金制件致密度(95％左右)高3％，图2为制件中的显微金相照片。采用该方法制备出的粉末钛合金制件，致密度高，组织均匀细小，合金室温抗拉强度980MPa，延伸率10～13％。
实施例2钛合金低成本近净成形方法
该实施例以圆锥管状样件作为成形对象。制备内部下底直径60mm，上底直径35mm，高50mm，厚3mm的带两极锥台的锥形橡胶包套，下底直径40mm，上底直径30mm，高20mm的氧化铝模芯，以及直径60mm，长20mm碳钢模芯底座，将模芯一端插入底座卡槽后，镶嵌到橡胶包套中；将平均粉末粒度30μm的氢化钛粉装入包套中，并振实，然后扎紧包套口；将包套进行冷等静压，压力500MPa，时间为0.5h；将冷等静压后的样剥去包套，然后进行真空烧结：随炉升温，在900℃预烧结1.5h，最后1349℃烧结1h，真空度10-2pa，300℃出炉，然后冷却至650℃，保温脱氢2h；根据需要，在升至最高温度真空烧结前先进行脱氢和预烧结，其中脱氢温度为650～800℃，时间1～4h，预烧结温度900～1100℃，时间0.5～1.5h；将烧结后的毛坯通过线切割和车屑，加工出直径20mm，长100mm的圆柱；将加工后的试样放入20％的NaOH溶液，在65℃条件下腐蚀去除试样中的氧化铝模芯，最终得到圆锥管样件Y，见图3。
经检测，圆锥管制件Y的相对密度为99.7％，比常规钛合金制件致密度(95％左右)高4.3％，图4为制件中的显微金相照片。采用该方法制备出的粉末钛合金制件，致密度高，组织均匀细小，合金室温抗拉强度850MPa，延伸率18～20％。
实施例3钛合金低成本近净成形方法
该实施例以带孔圆柱样件作为成形对象。制备内部直径40mm，长150mm，厚3mm的橡胶包套，直径10mm，长120mm的氧化铝模芯，以及直径40mm，长50mm碳钢模芯底座，其中一端开直径10mm，深20mm的卡槽，将模芯一端插入底座卡槽后，镶嵌到橡胶包套中；将平均粉末粒度150μm的氢化脱氢TA15粉末装入包套中，并振实，然后扎紧包套口；将包套进行冷等静压，压力100MPa，时间为5h；将冷等静压后的样剥去包套，然后进行在微量氢气氛中烧结：在1100℃预烧结0.5h，最后1200℃烧结10h，250℃出炉；然后进行真空脱氢，随炉升温至800℃脱氢，时间4h，真空度10-3pa，250℃出炉；将烧结后的毛坯通过线切割和车屑，加工出直径20mm，长100mm的圆柱；将加工后的试样放入20％的NaOH溶液，在65℃条件下腐蚀去除试样中的氧化铝模芯，最终得到圆管制件Z。
经检测，圆管制件的相对密度为99.5％，比常规钛合金制件致密度(95％左右)高4.5％，图5为制件Z中的显微金相照片。采用该方法制备出的粉末钛合金制件，致密度高，组织均匀细小，合金室温抗拉强度1150MPa，延伸率9～12％。
综上，本专利提出一种采用氢化钛合金或氢化脱氢钛合金粉末作为原料实现带内腔复杂结构近净成形的方法，本技术利用氢化钛合金或氢化脱氢钛合金粉末的颗粒形状不规则，压制性、保形形好，可在冷态下压制成形的特点，通过冷等静压成形，采用可溶解型芯获得复杂内腔结构，并通过热氢技术细化合金晶粒组织，提高了合金性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种钛合金低成本近净成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
将平均粉末粒度150μm的氢化脱氢TC4粉末和45μm的氢化TC4粉末按照2:8的比例混合，在锥形混料机中混合5h；将混合后的粉末装入包套-模芯中，并振实，然后扎紧包套口；将包套进行冷等静压，压力400MPa，时间为2h；将冷等静压后的样剥去包套，然后在氩气保护气氛中烧结：在1100℃预烧结1h，最后在1300℃烧结4h，然后冷却至200℃出炉，最后放入真空炉中，在700℃脱氢2h，真空度10-4pa，200℃出炉；
外表面加工制成钛合金制件，去除模芯形成制件的内腔结构。
2.如权利要求1所述的钛合金低成本近净成形方法，其特征在于，
所述包套-模芯模具中，包套的材质橡胶，模芯材质为不锈钢、碳钢或氧化物陶瓷。
3.如权利要求1所述的钛合金低成本近净成形方法，其特征在于，去除模芯的方法为化学腐蚀方法。
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