CN110373561A - 一种粉末锻造制备高致密度细晶钛合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种粉末锻造制备高致密度细晶钛合金的方法，该方法包括以氢化钛和相应的中间合金粉末为原料，通过冷等静压制备粉末压坯，其特征在于：该方法包括：利用氢气/氩气混合气氛烧结，制备含氢的钛合金粉末烧结坯；对含氢钛合金粉末烧结坯进行一次等温模锻，再对锻造后的粉末钛合金锻件进行真空热处理，得到脱氢的钛合金锻件。本发明方法工艺流程短、原料成本低、材料利用率高，制备出的钛合金制件致密度高、成分均匀、晶粒细小、力学性能优异。

Description

一种粉末锻造制备高致密度细晶钛合金的方法

技术领域

本发明是一种粉末锻造制备高致密度细晶钛合金的方法，属于粉末冶金技术领域。

背景技术

钛合金比强度高、耐腐蚀能力强、生物相容性好，在航空航天、汽车制造、体育器材和生物医用等领域有广阔的应用前景。传统的钛合金制备工艺以铸锭冶金方法为主，通过熔炼合金铸锭与锻造、轧制等热机械加工工艺结合，制备出的钛合金力学性能优异，但传统铸锻钛合金材料利用率低导致成本居高不下，严重限制了钛合金的应用领域。粉末冶金技术是目前最具经济性的钛合金制备工艺之一，可以大幅度提高材料利用率，并且制备出的钛合金组织均匀细小，性能良好。然而，由于钛合金高活性、高熔点的特性使得粉末钛合金致密化困难，通常需要以昂贵的球形预合金粉末与热等静压等高成本的成形工艺相结合才能实现，这与粉末冶金降低成本的目的相悖。

以元素粉末为原料的混合元素粉末冶金工艺利用元素粉末的成形与反应烧结来制备粉末钛合金，不需要进行合金熔炼过程，可以很大程度地降低合金的制备成本。但混合元素粉末冶金方法制备的钛合金中存在较多的孔隙，严重影响了合金的力学性能，从而降低了合金的使用价值。利用粉末烧结锻造等粉末热机械固结手段可以实现粉末钛合金较高的致密度从而具备良好的力学性能。ZL201110023157.2公开了一种细晶粉末钛合金的复合制备方法，以氢化脱氢钛合金粉末为原料，通过烧结和锻造制备出高致密的粉末钛合金。但需要预合金粉末作为原料粉末，并进行两火次锻造来提高致密度并细化晶粒尺寸，成本较高。

氢元素在混合元素粉末冶金方法中被广泛应用，大量文献证明氢元素可以提高钛合金烧结致密度，降低合金中的杂质含量，并且能够提高合金的塑性变形能力。因此以氢化钛粉末为主要原料，利用氢元素促进钛原子扩散能力可以提高烧结致密度。专利CN201711030580.9公开了一种以氢化海绵钛为原料进行球磨、真空烧结和锻造制备钛合金的方法，该工艺主要利用了氢元素提高致密性的能力。但核心在于海绵钛氢化工艺以及快速烧结过程，后续机械化固结过程中没有氢元素参与。

发明内容

本发明针对现有技术的不足设计提供了一种粉末锻造制备高致密度细晶钛合金的方法，其目的是以氢化钛为主要原料，利用简单工艺制备高致密钛合金。该方法工艺简单，成本低，产品力学性能优异，适用范围广。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种粉末锻造制备高致密度细晶钛合金的方法包括以氢化钛和相应的中间合金粉末为原料，通过冷等静压制备粉末压坯，其特征在于：该方法包括：

利用氢气/氩气混合气氛烧结，制备含氢的钛合金粉末烧结坯；

对含氢钛合金粉末烧结坯进行一次等温模锻，再对锻造后的合金锻件进行真空热处理，得到脱氢的钛合金锻件。

进一步，对含氢的钛合金粉末进行烧结的工艺参数为：烧结温度为1000～1450℃，保温时间为1～4h，气氛中氢气体积分数为10～100％，其余为氩气，升温速率为3～20℃/min。

进一步，氢化钛和相应的中间合金粉末粒度为100～500目。

进一步，所述冷等静压的压力为150～400MPa。

进一步，所述等温模锻的锻造温度为低于相变点10～200℃。

进一步，所述等温模锻的变形速率为10^-4/s～10/s，总变形量为≥50％，保压时间为≤30min。

进一步，所述真空热处理过程中的真空度为≤0.1Pa。

在一种实施中，所得到的钛合金为TC4，其中粉末烧结的工艺参数为：烧结温度为1250℃，升温速率为10℃/min，保温4h后随炉冷却，混合气氛中氢气体积分数为30％；

对烧结合金在900℃进行等温模锻，变形速率为0.005s^-1，整体变形量为60％。

在一种实施中，所得到的钛合金为TB6，其中对含氢的合金粉末进行烧结的工艺参数为：烧结温度为1350℃，升温速率为3℃/min，保温2h后随炉冷却，混合气氛中氢气体积分数为50％；

对烧结合金在750℃进行等温模锻，变形速率为0.01s^-1，整体变形量为50％。

本发明技术方案的特点及其创新效果是：

本发明的创新在于将氢元素全过程参与钛合金粉末烧结和粉末锻造。而目前关于氢元素对粉末钛合金的研究主要针对烧结过程中氢元素对烧结致密度和组织调控的影响，而对氢元素对粉末锻造过程中粉末钛合金致密化及晶粒细化的影响规律还不清楚。为此，本发明技术方案通过深入的研究，提出了一种提高钛合金致密化程度及减小晶粒尺寸的钛合金的制备方法，对该方法特点的说明如下：

第一，本发明方法中，氢元素参与烧结和锻造全过程，利用氢元素对锻造过程中粉末钛合金致密化和晶粒细化的促进作用，来实现提升粉末锻造钛合金性能和提高锻造效率降低成本的目的。

氢元素作为临时合金元素对粉末锻造钛合金的最终性能具有非常重要的影响，因此对氢元素的控制非常关键，而本发明方法是在大量的、系统的研究的基础之上建立的。通过研究发现，烧结温度和气氛中氢气比例的变化都会引起合金中氢元素含量的变化，从而对后续的锻造过程产生严重影响。例如，烧结温度变化、气氛中氢气浓度提高导致的氢元素含量提高，可以促进合金塑性变形能力的提高、促进合金的致密化，减少锻造火次；但同时可能导致烧结过程中合金开裂。相反的，氢元素含量降低又会减弱氢元素对烧结过程合金晶粒细化的作用，并对锻造过程合金的致密化和晶粒细化产生不利影响。因此，本发明方法中，针对不同成分的钛合金，制定了相应的烧结工艺参数，包括烧结温度、氢气浓度、冷却方式等，以实现对烧结坯中氢元素含量的精准控制，从而有效地发挥氢对粉末钛合金锻造过程中的致密化和晶粒细化的促进作用；

第二，烧结和锻造工艺对合金的致密化和晶粒细化的作用是紧密关联的。例如，烧结温度提高，导致烧结坯的致密度提高，但同时会导致晶粒尺寸的增加。因此在后续的锻造处理过程中，为保证晶粒充分细化需要提供更大的变形量。相反的，烧结温度降低，致密度下降，但晶粒尺寸较低。在后续的锻造过程中为保证实现粉末合金的全致密，同样需要采用较大的变形量或更高的锻造温度。因此，本发明方法中，考虑到锻造工艺和烧结工艺参数之间的关联性，在烧结工艺的基础上制定了相匹配的锻造工艺。

第三，低成本化。粉末锻造钛合金相比粉末热等静压等可以制备高性能粉末钛合金的工艺，对原料粉末和加工设备的要求较低，因此本发明方法具有低成本的特性。但通过该发明提供的方法制备的粉末钛合金可以具备与粉末热等静压相当甚至更优异的性能。

附图说明

图1为本发明方法的工艺流程示意图

图2为实施例1中的TC4合金真空退火后的显微组织照片

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

实施例1

以制备TC4合金为例，参见附图1，制备方法的过程为：以粒度为-500目的氢化钛、Al-V40中间合金粉末为原料，按照重量比9:1进行配比，在V型混料机上进行12h混合。对混合粉末进行封装后，在400MPa的压力下进行冷等静压获得粉末压坯。对粉末压坯进行气氛烧结，其中烧结温度为1250℃，升温速率为10℃/min，保温4h后随炉冷却，整个烧结过程烧结气氛为氢气与氩气的混合气体，其中氢气体积分数为30％。对烧结合金在900℃进行等温模锻，锻造过程中变形速率为0.005s^-1，整体变形量为60％，随后空冷。最后对锻造后的合金进行真空热处理，以5℃/min的升温速率升至800℃，保温1h后随炉冷却。最终获得脱氢后的TC4钛合金锻件。

从图2中可以看出，通过本发明方法制备的TC4钛合金锻件致密度达到100％，并且具有晶粒细小、组织均匀、无明显择优取向的特点。

实施例2

以制备TB6合金为例，参见附图1，制备方法的过程为：以粒度为-500目的氢化钛粉、Al-V和Al-V-Fe中间合金粉末为原料，按照名义成分Ti-10V-2Fe-3Al(wt.％)进行配比，在V型混料机上进行12h混合。对混合粉末进行封装后，在250MPa的压力下进行冷等静压获得粉末压坯。对粉末压坯进行气氛烧结，其中烧结温度为1350℃，升温速率为3℃/min，保温2h后随炉冷却，整个烧结过程烧结气氛为氢气与氩气的混合气体，其中氢气体积分数为50％。对烧结合金在750℃进行等温模锻，锻造过程中变形速率为0.01s^-1，整体变形量为50％，随后空冷。对锻造的合金进行740℃、1h真空热处理后水冷，再经过510℃、6h时效处理，得到组织均匀细小的TB6合金锻件。

Claims (9)

1.一种粉末锻造制备高致密度细晶钛合金的方法，该方法包括以氢化钛和相应的中间合金粉末为原料，通过冷等静压制备粉末压坯，其特征在于：该方法包括：

利用氢气/氩气混合气氛烧结，制备含氢的钛合金粉末烧结坯；

对含氢钛合金粉末烧结坯进行等温模锻，再对锻造后的合金进行真空热处理，得到脱氢的钛合金锻件或锻坯。

2.根据权利要求1所述的粉末锻造制备高致密度细晶钛合金的方法，其特征在于：对含氢的钛合金粉末进行烧结的工艺参数为：烧结温度为1000～1450℃，保温时间为1～4h，气氛中氢气体积分数为10～100％，其余为氩气，升温速率为3～20℃/min。

3.根据权利要求1所述的粉末锻造制备高致密度细晶钛合金的方法，其特征在于：氢化钛和相应的中间合金粉末粒度为100～500目。

4.根据权利要求1所述的粉末锻造制备高致密度细晶钛合金的方法，其特征在于：所述冷等静压的压力为150～400MPa。

5.根据权利要求1所述的粉末锻造制备高致密度细晶钛合金的方法，其特征在于：所述等温模锻的锻造温度为低于相变点10～200℃。

6.根据权利要求1或5所述的粉末锻造制备高致密度细晶钛合金的方法，其特征在于：所述等温模锻的变形速率为10^-4/s～10/s，总变形量为≥50％，保压时间为≤30min。

7.根据权利要求1所述的粉末锻造制备高致密度细晶钛合金的方法，其特征在于：所述真空热处理过程中的真空度为≤0.1Pa。

8.根据权利要求1所述的粉末锻造制备高致密度细晶钛合金的方法，其特征在于：所得到的脱氢的钛合金为TC4，其中粉末烧结的工艺参数为：烧结温度为1250℃，升温速率为10℃/min，保温4h后随炉冷却，混合气氛中氢气体积分数为30％；

对烧结合金在900℃进行等温模锻，变形速率为0.005s^-1，整体变形量为60％。

9.根据权利要求1所述的粉末锻造制备高致密度细晶钛合金的方法，其特征在于：所得到的脱氢的钛合金为TB6，其中对含氢的合金粉末进行烧结的工艺参数为：烧结温度为1350℃，升温速率为3℃/min，保温2h后随炉冷却，混合气氛中氢气体积分数为50％；

对烧结合金在750℃进行等温模锻，变形速率为0.01s^-1，整体变形量为50％。