CN111014681A - 钛合金零件的成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钛合金零件的成型方法，依次包括钛合金粉末的制备工序、筛分工序和注射成型工序，其中制备工序在特定的制备装置中完成，制备工序包括：选取尖端金属棒料，将其装至制备装置的送料机构；将制备装置的进料室、熔炼室和雾化室抽至真空；向真空的腔室充入惰性气体；开启送料机构，将棒料旋转送入熔炼室，并在靠近感应线圈时停止；开启感应线圈和雾化喷嘴，棒料尖端受热熔化滴下的液滴，经雾化喷嘴耦合的高压高速气体剪切形成微液滴；微液滴冷却凝固形成钛钛合金粉末。本发明制备的钛合金粉末，粒度细、球形度高，制备的钛合金零件，抗拉强度可达950‑1000MPa，屈服强度可达820‑850MPa，延伸率可达14％‑18％。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金铸造技术领域，特别涉及一种钛合金零件的成型方法。
背景技术
金属注射成型工艺对于小尺寸、精密、复杂结构零件有着天然的优势，批量生产能够极大地降低制造成本。近年来，随着手机、笔记本电脑等电子产品更新换代速度加快，注射成型零件正在大量应用在3C、军用雷达天线振子等设备中，注射成型技术正在迎来新的腾飞。
钛合金是一种比重小、比强度高、耐腐蚀性能好、耐热性能优良高性能材料，被广泛应用于航空航天、生物医疗领域。但由于其机械加工难度大、成本高，而军用电子领域、3C产品零部件往往重量轻、形状结构复杂，这极大地限制了钛合金在电子领域的应用。注射成型工艺避免了直接使用钛合金棒料难以加工的问题，使用粉末成型零件，解决了精密零件的成型问题，极大地拓展了钛合金在电子领域的应用。
由于注射成型工艺所选用的钛合金粉末的粒度较常规粉末冶金、增材制造等工艺要更细，粉末比表面积也更大，因此对粉末的性能，如球形度、氧含量、洁净度等的要求就更高。粉末的性能不好，将极大影响生产的钛合金零件的延伸率和塑性。
发明内容
本发明的目的是为解决以上问题，本发明提供一种钛合金零件的成型方法。
根据本发明，提供一种钛合金零件的成型方法，依次包括钛合金粉末的制备工序、钛合金粉末的筛分工序和钛合金粉末的注射成型工序，其中钛合金粉末的制备工序在粉末制备装置中完成，所述粉末制备装置包括自上而下依次连通的进料室、熔炼室和雾化室，所述进料室内设有能够自旋和向下运行的进料机构，所述熔炼室内设有感应线圈，所述熔炼室和雾化室之间的连通口安装有环形雾化喷嘴，所述进料机构、所述感应线圈、所述环形雾化喷嘴位置上下对应。
该钛合金粉末的制备工序包括以下步骤：选取设有尖端的金属棒料，将其装至送料机构；将进料室、熔炼室和雾化室抽至真空；向真空的进料室、熔炼室和雾化室充入惰性气体，直至达到预定内部压力；开启送料机构，将棒料旋转送入熔炼室，并在靠近感应线圈时停止；开启感应线圈和雾化喷嘴，停止的棒料开始熔化，并在尖端汇成液滴滴下，被雾化喷嘴耦合的高压高速惰性气体剪切形成微液滴；微液滴经冷却，凝固形成钛钛合金粉末。
其中，制备工序的充入惰性气体步骤中，预定内部压力为0.08-0.12MPa，开启雾化喷嘴步骤中，雾化喷嘴的雾化压力为0.5-5Mpa。
其中，该制备装置的感应线圈为中频感应线圈，其加热温度为1600℃-2200℃，送料步骤中，金属棒料的旋转速度为10-30r/min，棒料在距感应线圈2-5cm的位置停止。
其中，制备工序的抽真空步骤中，将进料室、熔炼室和雾化室抽真空至0.5-1.5×10-2Pa停止。
其中，该金属棒料的尖端锥角为85-95度，其表面粗糙度不超过3.2；该金属棒料的直径为45-55mm，长度为550-650mm。
其中，该筛分工序包括步骤：使用振动筛对制得的钛合金粉末粗筛，除去60目以上粗渣；将剩余钛合金粉末进入气流分级机中继续筛分，其中，分级轮的转速为10-30Hz。
其中，该注射成型的工序包括步骤：将筛分后的钛合金粉末和粘结剂放入密炼造粒机，在氩气保护下混合造粒；将制造的钛合金粉末粒在氩气保护注塑机中注射成型，并脱脂、烧结；其中烧结过程在钼丝炉中进行，烧结温度约为1200℃。
其中，该钛合金粉末为钛合金粉末TC21或钛合金粉末GR5。
本发明的钛合金零件成型方法具备以下优点：
1、本发明的成型方法中，制粉设备处于高真空、惰性气体保护的气氛中，一方面避免了粉末被氧化，提升钛合金粉末的氧含量，另一方面使金属液滴冷却时在足够的表面张力作用下球化，球化效果明显，经检测，本方法制取粉末的氧含量为＜1500ppm，球形度为＞0.9。
2、本发明的成型方法中，通过制粉工序和筛分工序配合，使制取粉末的粒度为0-20μm。
3、本发明的筛分过程中，通过建立整套的惰性气体保护筛分系统，保证了在粉末筛分过程中粉末无明显的氧增量，经检测，经过筛分分级后，粉末氧增量＜100ppm，保证了后续钛合金零件的塑性。
4、在本发明的零件成型过程中，整套系统采用了惰性气体保护或真空环境，避免了在此过程中增加零件氧含量，导致零件变脆。
5、本发明以成型高性能钛合金零件为目的，建立了从粉末制备，到筛分，再到成型的全流程工序，对成型过程中的关键要点进行控制，保证了成型零件的强度、塑性能够达到要求。
6、本发明制备的钛合金零件，抗拉强度可达950-1000MPa，屈服强度可达820-850MPa，延伸率可达14％-18％。
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制备装置的示意图。
具体实施方式
下面将根据实施例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。
如图1所示，一种钛合金粉末的制备装置，包括自上而下依次连通的进料室3、熔炼室7和雾化室9，该进料室3内设有能够自旋和向下运行的进料机构4，该熔炼室内设有感应线圈，该熔炼室7和雾化室9之间的连通口安装有环形雾化喷嘴8，该进料机构4、该感应线圈、该环形雾化喷嘴8位置上下对应。进料装置的末端设有用于卡接金属棒料的卡接器，进料室和熔炼室之间设有活动的插板阀，用于连通或者隔断两室。
本发明的钛合金粉末的制备工序在上述制备装置中完成，本发明还包括筛分工序和注射成型工序，下面将通过具体实施例的形式对本发明的制备方法作进详细说明。
实施例1钛合金零件的成型方法粉末TC21的制备方法
本制备方法在钛合金粉末制备装置Ⅰ完成，钛合金粉末制备装置Ⅰ中，中频感应线圈设置于雾化喷嘴上方3厘米的位置，感应线圈为3匝线圈，线圈倾斜角度为轴向40-50°，雾化喷嘴为环孔式喷嘴，共6个出气孔，孔径1.5mm，出气孔据喷嘴中心距5厘米，雾化喷嘴的喷射角度为偏向环形内部36度。
本成型方法的制备工序包括以下步骤：
选取设有尖端的钛合金TC21棒料，将其装至送料机构，选取的钛合金TC21棒料的尺寸为：
L550mm，棒料的尖端锥角为90度，表面粗糙度为3.2；先用真空泵将制备装置的进料室、熔炼室和雾化室抽真空，当腔室的内部均达到1×10-2Pa时，关闭真空泵组，然后向系统内充入纯度为99.999％的氩气，直至系统内部压力为0.08MPa时，停止充气，营造装置内的微负压无氧环境。打开熔炼室和进料室之间的插板阀，并打开伺服电机开始进料，使棒料开始轴向向下直线运动，同时以18r/min速度自旋。棒料运行到距感应线圈3cm高度时，打开中频感应线圈电源和雾化喷嘴控制阀，将雾化喷嘴的雾化压力设置为1Mpa，控制熔炼室的温度为1650℃，使棒料逐渐熔化，并在尖端处汇成钛合金液滴，滴落的钛合金液滴与雾化喷嘴耦合的高压高速惰性气体碰撞，被剪切、破碎形成微液滴，微液滴经冷却，在位于制备装置底部的收粉室凝固成钛合金粉末。
本成型方法的筛分工序包括以下步骤：
将原始粉末装入料罐内并缓慢落入振动筛中，进行粗筛，除去60目以上粗渣。除渣后的0-250μm粉末进入气流分级机中进行筛分，气流分级机主要用于筛分20μm处粉末，分级轮保持18Hz的转速，粉末颗粒在气流的作用下，在距离分级轮中心保持一定距离处旋转，并在此距离平衡，根据粉末颗粒的粒径以及重量，20μm以下颗粒分布在中心区域，随气流进入分级轮中被抽吸走进入旋风分离器收集，20μm以上颗粒在距离中心较远处旋转，并收集。
本成型方法的注射成型工序包括以下步骤：
将钛合金0-20μm粉末放入密炼造粒机中，同时加入粘结剂，在氩气保护气氛中混合、造粒，造粒后在氩气保护注塑机中注射成型，成型后进行脱脂、烧结，烧结过程在钼丝炉中进行，烧结温度为1200℃。
对制备的粉末和钛合金零件进行检测。经测定，制备的钛合金粉末的氧含量为1450ppm，球形度为0.93，制取的粉末的粒度为16-20μm，振实密度2.98g/cm3；制备的钛合金零件的抗拉强度950MPa，屈服强度820MPa，延伸率14％。
实施例2钛合金粉GR5的制备方法
本制备方法在钛合金粉末制备装置Ⅱ完成，钛合金粉末制备装置Ⅱ中，中频感应线圈设置于雾化喷嘴上方2厘米的位置，感应线圈为3匝线圈，线圈倾斜角度为轴向40-50°，雾化喷嘴为环形环孔式喷嘴，共6个出气孔，内径为8厘米，出气孔孔径1.5mm，出气孔据喷嘴中心距5厘米，雾化喷嘴的喷射角度为偏向环形内部30度。
本制备方法包括以下步骤：
选取设有尖端的钛合金GR5棒料，将其装至送料机构，选取的钛合金GR5棒料的尺寸为：
L600mm，棒料的尖端锥角为90度，表面粗糙度为2.5；装备完毕后，先用真空泵将制备装置的进料室、熔炼室和雾化室抽真空，当腔室的内部均达到1.5×10-2Pa时，关闭真空泵组，然后向系统内充入纯度为99.999％的氩气，直至系统内部压力为0.12MPa时，停止充气，营造装置内的高压无氧环境。打开熔炼室和进料室之间的插板阀，并打开伺服电机开始进料，使棒料开始轴向向下直线运动，同时以15/s速度自旋。棒料运行到距感应线圈5cm高度时，打开中频感应线圈电源和雾化喷嘴控制阀，将雾化喷嘴的雾化压力设置为1.5Mpa，控制熔炼室的温度为1500-1700度，使棒料逐渐熔化，并在尖端处汇成钛合金液滴，滴落的钛合金液滴与雾化喷嘴耦合的高压高速惰性气体碰撞，被剪切、破碎形成微液滴，微液滴经冷却，在位于制备装置底部的收粉室凝固成钛合金粉末。
本成型方法的筛分工序包括以下步骤：
将原始粉末装入料罐内并缓慢落入振动筛中，进行粗筛，除去60目以上粗渣。除渣后的0-250μm粉末进入气流分级机中进行筛分，气流分级机主要用于筛分20μm处粉末，分级轮保持25Hz的转速，粉末颗粒在气流的作用下，在距离分级轮中心保持一定距离处旋转，并在此距离平衡，根据粉末颗粒的粒径以及重量，17μm以下颗粒分布在中心区域，随气流进入分级轮中被抽吸走进入旋风分离器收集，17μm以上颗粒在距离中心较远处旋转，并收集。
本成型方法的注射成型工序包括以下步骤：
将钛合金0-17μm粉末放入密炼造粒机中，同时加入粘结剂，在氩气保护气氛中混合、造粒，造粒后在氩气保护注塑机中注射成型，成型后进行脱脂、烧结，烧结过程在钼丝炉中进行，烧结温度为1050℃。
对制备的钛合金粉末和钛合金零件进行检测，经测定，制备的钛合金粉末的氧含量为1480ppm，球形度为0.92，制取的粉末的粒度为15-17μm，振实密度为2.99g/cm3；制备的钛合金零件的抗拉强度1000MPa，屈服强度850MPa，延伸率18％。
对比例
同样使用制备装置Ⅰ进行制备TC21钛合金两件的对比实验，保持其他制备条件、筛分条件和注射成型条件与实施例1一致，但在粉末的制备工序中，将装置内部充入惰性气体后的气压调整为0.20Mpa，将雾化喷嘴的雾化压力设置为3.0Mpa，将熔炼室的温度设置为1200-1300度。对制得的粉末进行检测，发现粉末的粒径位于100μm-1.5cm之间，大小不均一，且形状接近橄榄球形。对制得零件进行检测，制得的零件的抗张强度为630MPa，屈服强度为420MPa，延伸率为3.1％。
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 (8)
1.一种钛合金零件的成型方法，其特征在于，依次包括钛合金粉末的制备工序、钛合金粉末的筛分工序和钛合金粉末的注射成型工序，其中钛合金粉末的制备工序在粉末制备装置中完成，所述粉末制备装置包括自上而下依次连通的进料室、熔炼室和雾化室，所述进料室内设有能够自旋和向下运行的进料机构，所述熔炼室内设有感应线圈，所述熔炼室和雾化室之间的连通口安装有环形雾化喷嘴，所述进料机构、所述感应线圈、所述环形雾化喷嘴位置上下对应；
所述钛合金粉末的制备工序包括以下步骤：
选取设有尖端的金属棒料，将其装至送料机构；
将进料室、熔炼室和雾化室抽至真空；
向真空的进料室、熔炼室和雾化室充入惰性气体，直至达到预定内部压力；
开启送料机构，将棒料旋转送入熔炼室，并在靠近感应线圈时停止；
开启感应线圈和雾化喷嘴，停止的棒料开始熔化，并在尖端汇成液滴滴下，被雾化喷嘴耦合的高压高速惰性气体剪切形成微液滴；
微液滴经冷却，凝固形成钛钛合金粉末。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
制备工序的充入惰性气体步骤中，预定内部压力为0.08-0.12MPa，开启雾化喷嘴步骤中，雾化喷嘴的雾化压力为0.5-5Mpa。
3.如权利要求1所述的成型方法，其特征在于，
制备装置的所述感应线圈为中频感应线圈，其加热温度为1600℃-2200℃，送料步骤中，金属棒料的旋转速度为10-30r/min，棒料在距感应线圈2-5cm的位置停止。
4.如权利要求1所述的成型方法，其特征在于，
制备工序的抽真空步骤中，将进料室、熔炼室和雾化室抽真空至0.5-1.5×10-2Pa停止。
5.如权利要求1所述的成型方法，其特征在于，
所述金属棒料的尖端锥角为85-95度，其表面粗糙度不超过3.2；所述金属棒料的直径为45-55mm，长度为550-650mm。
6.如权利要求1所述的成型方法，其特征在于，所述筛分工序包括步骤：
使用振动筛对制得的钛合金粉末粗筛，除去60目以上粗渣；
将剩余钛合金粉末进入气流分级机中继续筛分，其中，分级轮的转速为10-30Hz。
7.如权利要求1所述的成型方法，其特征在于，所述将钛合金粉末注射成型的工序包括步骤：
将筛分后的钛合金粉末和粘结剂放入密炼造粒机，在氩气保护下混合造粒；
将制造的钛合金粉末粒在氩气保护注塑机中注射成型，并脱脂、烧结；其中烧结过程在钼丝炉中进行，烧结温度约为1200℃。
8.如权利要求1-7任一所述的成型方法，其特征在于，
所述钛合金粉末为钛合金粉末TC21或钛合金粉末GR5。
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