CN112453384A - 一种扩散粘接钛粉制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一种扩散粘接钛粉制备方法；特别涉及一种用于生产高性能粉末冶金钛合金用粉末的方法。本发明利用粗颗粒钛粉，与元素粉或合金粉末作为原料，按所需成分的配比进行混合，所得混合粉体进行扩散粘接处理，同时通入氢气形成氢化钛；然后将其从炉内取出后，经球磨破碎得到所需粒度粉末，最后脱氢得到扩散粘接钛合金粉。本发明显著降低钛合金粉的成本。其成本仅为现有技术的1/10～1/2；本发明对设备要求低、固定资产投入小，生产成效率高、生产过程简单可控；所得产品氧含量低，杂质少；烧结后所得制品性能稳定，氧含量低，成分组织均匀。

Description

一种扩散粘接钛粉制备方法

技术领域

本发明涉及一种一种扩散粘接钛粉制备方法；特别涉及一种用于生产高性能粉末冶金钛合金用粉末的方法。

背景技术

钛合金有密度低、比强度高、耐蚀、可焊、中温性能好、无磁等一系列的优点，在航空航天、核能化工等领域有着广泛用途，是一种应用广泛的重要金属材料。由于钛合金本身加工性能差，传统工艺例如锻造，精密铸造等，成本高昂且生产效率低。粉末冶金是一种以金属粉末为原料的近净成形技术，通常包括粉末制备，压制，烧结，后处理等工艺流程。因该技术基本无需加工即可实现钛制品近净成形，相较传统加工工艺而言，具有工艺简单，成本低廉，原料利用率高等优点。

制约钛粉末冶金的关键因素之一是粉末原料。钛粉末冶金通常分为预合金法(PA)和混合元素法(BE)。但由于PA粉末一般具有高硬度，压制性能较差，且预合金粉成本远高于混合元素粉。但使用混合元素粉末，难以对原始粉末中氧含量进行有效控制，严重影响钛制品的机械性能。

扩散粘结粉是通过高温扩散，使合金添加粉末扩散至基础粉末部分表面或内部，形成有效冶金结合。利用扩散粘结，能有效改进粉末混合粉的均匀性和流动性，从而改善烧结制品的性能稳定性。并且不会在粉末混合物的运输和处理过程中产生偏析的风险。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，首次提出一种利用扩散粘结处理，将低成本粗颗粒钛原料与元素粉或合金粉混合制备成钛合金粉的方法。

本发明一种利用扩散粘结制备钛合金粉的方法；利用粗颗粒钛粉，与元素粉或合金粉末作为原料，按所需成分的配比进行混合，所得混合粉体进行扩散粘接处理，同时通入氢气形成氢化钛。从炉内取出后，粗颗粒粉末球磨破碎得到所需粒度粉末，然后脱氢得到扩散粘接钛合金粉。

本发明一种扩散粘接钛粉制备方法；利用粗颗粒钛粉，与合金元素粉末作为原料，按所需成分的配比进行混合，所得混合粉体进行扩散粘接处理，同时通入氢气形成氢化钛；然后将其从炉内取出后，经球磨破碎得到所需粒度粉末，最后脱氢得到扩散粘接钛合金粉。

本发明一种扩散粘接钛粉制备方法；所述粗颗粒钛粉的D₅₀为100-2000微米。优选地，其粉末平均粒度小于300微米大于100微米。

本发明一种扩散粘接钛粉制备方法；所述粗颗粒钛粉的来源于但不限于纯钛、钛合金、含氢钛粉、氢化钛、海绵钛、钛废料、氢化海绵钛等低成本钛原料中的至少一种。可以是纯钛或钛合金粉末，也可以是含氢钛粉或氢化钛粉末，其氧含量要求低于800ppm。

本发明一种扩散粘接钛粉制备方法；合金元素粉末的平均粒度小于等于所述粗颗粒钛粉粒径的1/5。优选地，其粉末平均粒度小于粗颗粒钛粉粒径的1/10，以确保元素粉或合金粉末能较好而均匀地粘连在粗颗粒钛粉上。合金元素粉末可以但不限于Al、V、Mo、Nb、Sn、Zr、Fe等元素的一种或多种，合金元素所占质量比低于30wt％。

本发明一种扩散粘接钛粉制备方法；对于粗颗粒纯钛粉、或海绵钛粉末较软的情况，通过滚筒或搅拌球磨方法，将各种粉末按合金成分配比加入研磨球进行球磨，球磨使得不显著破坏粗颗粒钛粉颗粒的情况下，使其与元素粉或合金粉末间较好地机械变形而粘连。

或者，对于粗颗粒钛合金粉末、或含氢钛粉、或氢化钛粉较硬的情况，通过混料机或球磨方法将各种粉末按合金成分配比混合至完全均匀，然后加入少量粘接剂，粘接剂加入使得粗颗粒钛粉，与元素粉或合金粉末较好地粘连，粘接剂为但不限于石蜡、聚乙二醇的一种或几种，粘接剂加入量低于1.5vol％。

本发明一种扩散粘接钛粉制备方法；包含一个低温保温过程，温度范围100-400摄氏度，为粘接剂热脱除，保温时间足够使得粘接剂完全脱除；然后扩散粘接过程，温度范围500-800摄氏度，使得元素粉或合金粉末粘连到钛粉表面，并产生元素扩散现象，扩散粘接处理时间4-48小时。

本发明一种扩散粘接钛粉制备方法；在扩散粘接处理保温完成后，通入氢气并降温，此时钛吸氢形成氢化钛，获得脆性较大的氢化粉末。

本发明一种扩散粘接钛粉制备方法；将脆性的氢化粉末在密闭的球磨罐体内进行球磨，罐体采用氩气或氮气气氛保护，球磨得到适于烧结的扩散粘接细粉末，粒度小于100目。

本发明一种扩散粘接钛粉制备方法；将氢化扩散粘接钛粉末进行脱氢，控制脱氢温度为500-800摄氏度，真空度小于10^-3Pa，脱氢至粉末氢含量低于100ppm以下，粉末脱氢后破碎、过筛、封装。

作为优选方案，本发明一种利用扩散粘结制备钛合金粉的方法；包括下述步骤；

步骤一

将低成本粗颗粒钛原料与元素粉末和/或合金粉末按照所需合金成分配比进行混合；

步骤二

将步骤一所得混合粉放置于混料滚筒或球磨罐中；加入一定配比研磨球进行球磨；使粗颗粒钛原料与元素粉或合金粉间发生机械变形粘结；得到粘结钛合金粉

或

将步骤一所得混合粉；利用混料机或球磨方法预先混合至粉末完全均匀；加入少量粘结剂，使粗颗粒钛原料与元素粉和合金粉进行粘结；得到粘结钛合金粉；

步骤三

将步骤二所得粘结钛合金粉置于烧结炉内，升温至脱出粘结剂温度，保温；继续升温至扩散粘结温度，保温；通入氢气，保温；得到含氢的扩散粘结钛合金粉；

步骤四

待吸氢后的扩散粘结钛合金粉冷却后，在惰性气氛保护的球磨罐中进行破碎；得到所需粒度的扩散粘结钛合金粉；过筛。

步骤五

将粉末在真空和脱氢温度下保温，使得吸氢后扩散粘结钛合金粉脱氢；得到脱氢后的扩散粘结钛合金粉；封装。

本发明一种利用扩散粘结制备钛合金粉的方法；粘结处理过程中，混料或球磨过程中不得显著破坏粗颗粒钛粉颗粒。

本发明一种利用扩散粘结制备钛合金粉的方法；当以粒径为200微米及以上的海绵钛颗粒为原料之一，制备Ti-6Al-4V合金时，所得产品的致密度大于等于94％，抗拉强度大于等于900MPa。经优化之后，所制备的Ti-6Al-4V合金的致密度大于等于95％，抗拉强度可达950MPa、甚至更高。

本发明一种利用扩散粘结制备钛合金粉的方法；当以粒径为200微米及以上的海绵钛颗粒为原料之一，制备Ti-5Al-2.5Fe合金时，所得产品的致密度大于等于96％，抗拉强度大于等于1000MPa。

原理和优势

本发明提出了：利用扩散粘结工艺，同时钛合金氢化破碎-脱氢的方法，利用低成本钛粉原料制备钛合金粉的新方法。

本发明首次提出：对预先利用混料机，球磨、添加粘结剂等方法进行混合所需成分的钛粉和合金粉原料，进行高温扩散处理，粘结后的钛合金粉中合金元素部分地扩散到粗颗粒钛粉的表面区域。粗颗粒的粘接扩散钛合金粉氢化后可方便地破碎，得到合适粒度的粘接有所需合金元素的粉末。该方法得到预合金化钛合金粉的同时，粉末氧含量低、压制性能好，烧结性能好。

本专利相比传统钛合金粉末制备技术，具有如下优势：

(1)显著降低钛合金粉的成本。其成本仅为现有技术的1/3；

(2)生产设备简单，固定资产投入小，生产成效率高。

(3)钛粉氧含量低，杂质少

(4)最终烧结制品性能稳定，氧含量低，成分组织均匀。

附图说明

图1所示为粉末扩散粘接，和氢化粉末破碎原理图。

图2扩散粘接钛粉工艺流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例一：

1.将粒度为200微米的海绵钛颗粒、粒度为40微米的Al粉、粒度为30微米的V粉按照Ti-6Al-4V合金成分进行配比，与一定量研磨球装入V形混料机进行1小时混合。

2.混料完毕的钛合金粉，静置0.5小时后放入氢气炉中，在惰性气氛中，升温至650摄氏度，保持惰性气氛并保温5小时。

3.停止保温，随炉冷却，并通入氢气，保持通入氢气至冷却到室温。

4.关闭氢气，打开氢气炉，取出冷却吸氢Ti-6Al-4V合金粉，与研磨球一起放置于球磨罐中，在氩气或氮气气氛中进行球磨破碎，对球磨后Ti-6Al-4V合金粉过筛得到粒度为200目Ti-6Al-4V合金粉末。

5.将粒度为200目Ti-6Al-4V合金粉末放入真空烧结炉，抽真空(真空度小于10^{- 3}Pa)，升高温度至700摄氏度，保持10小时后随炉冷却。

6.打开真空炉。取出脱氢Ti-6Al-4V合金粉，过筛，封装。

7.将脱氢Ti-6Al-4V合金粉装入管套模具，在200MPa压制力下进行冷等静压，得到Ti-6Al-4V粉末压坯。

8.将Ti-6Al-4V粉末压坯放入真空烧结炉，抽真空(真空度小于10^-3Pa)，升高温度至1200摄氏度，保持4小时后随炉冷却。

9.打开真空炉。取出烧结Ti-6Al-4V合金，测得烧结Ti-6Al-4V合金致密度为95％，抗拉强度为950MPa。

实施例二

1.将粒度为500微米的海绵钛颗粒、粒度为10微米的Al粉、粒度为5微米的Fe粉按照Ti-5Al-2.5Fe合金成分进行配比，与一定量研磨球装入V形混料机进行1小时混合。

2.混料完毕的Ti-5Al-2.5Fe合金粉，静置0.5小时后放入氢气炉中，在惰性气氛中，升温至650摄氏度，保持惰性气氛并保温5小时。

3.停止保温，随炉冷却，并通入氢气，保持通入氢气至冷却到室温。

4.关闭氢气，打开氢气炉，取出冷却吸氢钛合金粉，与研磨球一起放置于球磨罐中，在氩气或氮气气氛中进行球磨破碎，对球磨后Ti-5Al-2.5Fe合金粉过筛得到粒度为200目Ti-5Al-2.5Fe合金粉末。

5.将粒度为200目Ti-5Al-2.5Fe合金粉末放入真空烧结炉，抽真空(真空度小于10^-3Pa)，升高温度至700摄氏度，保持10小时后随炉冷却。

6.打开真空炉。取出脱氢Ti-5Al-2.5Fe合金粉，过筛，封装。

7.将脱氢Ti-5Al-2.5Fe合金粉装入管套模具，在200MPa压制力下进行冷等静压，得到Ti-5Al-2.5Fe粉末压坯。

8.将Ti-5Al-2.5Fe粉末压坯放入真空烧结炉，抽真空(真空度小于10^-3Pa)，升高温度至1200摄氏度，保持4小时后随炉冷却。

9.打开真空炉。取出烧结Ti-5Al-2.5Fe合金，测得烧结Ti-5Al-2.5Fe合金致密度为96％，抗拉强度为1000MPa。

实施例三

1.将粒度为200微米的海绵钛颗粒、粒度为30微米的Al-V合金粉按照Ti-6Al-4V合金成分进行配比，与一定量研磨球装入V形混料机进行1小时混合，然后加入1.5vol％的聚乙二醇粘结剂，混合均匀。

2.混和完毕的Ti-6Al-4V合金粉，静置0.5小时后放入氢气炉中，在惰性气氛中，升温至200摄氏度，保持惰性气氛并保温8小时。继续升温至650摄氏度，保持惰性气氛并保温5小时。

3.停止保温，随炉冷却，并通入氢气(氢气的压力1bar)，保持通入氢气至冷却到室温。

4.关闭氢气，打开氢气炉，取出冷却吸氢Ti-6Al-4V合金粉，与研磨球一起放置于球磨罐中，在氩气或氮气气氛中进行球磨破碎，对球磨后Ti-6Al-4V合金粉过筛得到粒度为325目Ti-6Al-4V合金粉末。

5.将粒度为325目Ti-6Al-4V合金粉末放入真空烧结炉，抽真空(真空度小于10^{- 3}Pa)，升高温度至700摄氏度，保持10小时后随炉冷却。

6.打开真空炉。取出脱氢Ti-6Al-4V合金粉，过筛，封装。

7.将脱氢Ti-6Al-4V合金粉装入管套模具，在200MPa压制力下进行冷等静压，得到Ti-6Al-4V粉末压坯。

8.将Ti-6Al-4V粉末压坯放入真空烧结炉，抽真空(真空度小于10^-3Pa)，升高温度至1200摄氏度，保持4小时后随炉冷却。

9.打开真空炉。取出烧结Ti-6Al-4V合金，测得烧结Ti-6Al-4V合金致密度为94％，抗拉强度为900MPa。

对比例1

1.将粒度为100微米的氢化钛粉末、粒度为40微米的Al粉、粒度为30微米的V粉按照Ti-6Al-4V合金成分进行配比，与一定量研磨球装入V形混料机进行1小时混合。

4.将Ti-6Al-4V混合粉装入管套模具，在200MPa压制力下进行冷等静压，得到致密度为65％的Ti-6Al-4V合金压坯。

5.将致密度为65％的Ti-6Al-4V合金压坯放入真空烧结炉，抽真空(真空度小于10^-3Pa)，升高温度至1200摄氏度，保持4小时后随炉冷却。

6.打开真空炉。取出烧结Ti-6Al-4V合金，测得烧结Ti-6Al-4V合金致密度为88％，抗拉强度为580MPa。

对比例2

1.将粒度为200微米的氢化海绵钛颗粒、粒度为10微米的Al粉、粒度为5微米的Fe粉按照Ti-5Al-2.5Fe合金成分进行配比，与一定量研磨球装入V形混料机进行1小时混合。

2.将Ti-5Al-2.5Fe粉装入管套模具，在200MPa压制力下进行冷等静压，得到Ti-5Al-2.5Fe粉末压坯。

3.Ti-5Al-2.5Fe粉末坯放入真空烧结炉，抽真空(真空度小于10^-3Pa)，升高温度至1200摄氏度，保持4小时后随炉冷却。

4.打开真空炉。取出烧结Ti-5Al-2.5Fe合金，测得烧结Ti-5Al-2.5Fe合金致密度为85％，抗拉强度为400MPa。

Claims (10)

1.一种扩散粘接钛粉制备方法；其特征在于：利用粗颗粒钛粉，与合金元素粉末作为原料，按所需成分的配比进行混合，所得混合粉体进行扩散粘接处理，同时通入氢气形成氢化钛；然后将其从炉内取出后，经球磨破碎得到所需粒度粉末，最后脱氢得到扩散粘接钛合金粉。

2.根据权利要求1所述的一种扩散粘接钛粉制备方法；其特征在于：所述粗颗粒钛粉的D₅₀为100-2000微米。优选地，其粉末平均粒度小于300微米大于100微米。

3.根据权利要求1所述的一种扩散粘接钛粉制备方法；其特征在于：所述粗颗粒钛粉的来源于但不限于纯钛、钛合金、含氢钛粉、氢化钛、海绵钛、钛废料、氢化海绵钛等低成本钛原料中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种扩散粘接钛粉制备方法；其特征在于：合金元素粉末的平均粒度小于等于所述粗颗粒钛粉粒径的1/5。优选地，其粉末平均粒度小于粗颗粒钛粉粒径的1/10，以确保元素粉或合金粉末能较好而均匀地粘连在粗颗粒钛粉上。合金元素粉末可以但不限于Al、V、Mo、Nb、Sn、Zr、Fe等元素的一种或多种，合金元素所占质量比低于30wt％。

5.根据权利要求1所述的一种扩散粘接钛粉制备方法；其特征在于：对于粗颗粒纯钛粉、或海绵钛粉末较软的情况，通过滚筒或搅拌球磨方法，将各种粉末按合金成分配比加入研磨球进行球磨，球磨使得不显著破坏粗颗粒钛粉颗粒的情况下，使其与元素粉或合金粉末间较好地机械变形而粘连。

或者，对于粗颗粒钛合金粉末、或含氢钛粉、或氢化钛粉较硬的情况，通过混料机或球磨方法将各种粉末按合金成分配比混合至完全均匀，然后加入少量粘接剂，粘接剂加入使得粗颗粒钛粉，与元素粉或合金粉末较好地粘连，粘接剂为但不限于石蜡、聚乙二醇的一种或几种，粘接剂加入量低于1.5vol％。

6.根据权利要求1所述的一种扩散粘接钛粉制备方法；其特征在于：包含一个低温保温过程，温度范围100-400摄氏度，为粘接剂热脱除，保温时间足够使得粘接剂完全脱除；然后扩散粘接过程，温度范围500-800摄氏度，使得元素粉或合金粉末粘连到钛粉表面，并产生元素扩散现象，扩散粘接处理时间4-48小时。

7.根据权利要求6所述一种扩散粘接钛粉制备方法；其特征在于：在扩散粘接处理保温完成后，通入氢气并降温，此时钛吸氢形成氢化钛，获得脆性较大的氢化粉末。

8.根据权利要求7所述一种扩散粘接钛粉制备方法；其特征在于：将脆性的氢化粉末在密闭的球磨罐体内进行球磨，罐体采用氩气或氮气气氛保护，球磨得到适于烧结的扩散粘接细粉末，粒度小于100目。

9.根据权利要求8所述的一种扩散粘接钛粉制备方法；其特征在于：将氢化扩散粘接钛粉末进行脱氢，控制脱氢温度为500-800摄氏度，真空度小于10^-3Pa，脱氢至粉末氢含量低于100ppm以下，粉末脱氢后破碎、过筛、封装。

10.根据权利要求3-9任意一项所述的一种扩散粘接钛粉制备方法；其特征在于：

当以粒径为200微米及以上的海绵钛颗粒为原料之一，制备Ti-6Al-4V合金时，所得产品的致密度大于等于94％，抗拉强度大于等于900MPa；

当以粒径为200微米及以上的海绵钛颗粒为原料之一，制备Ti-5Al-2.5Fe合金时，所得产品的致密度大于等于96％，抗拉强度大于等于1000MPa。

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