CN114226731A - 一种低成本注射成形制备全致密钛合金零部件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种低成本注射成形制备全致密钛合金零部件的方法，属于金属注射成形的技术领域。所述方法包括原料称量、密炼、造粒、注射成型、酸脱脂、热脱脂+真空烧结、刷覆+热处理。其是以粗不规则钛合金粉末为35μm≤D90≤75μm的钛合金粉末和成形粘结剂为原料进行注射成型，粗粉不易氧化，有利于实现注射成形钛合金的低氧含量，且不规则钛粉末的成本远低于球形钛粉，生产成本相对降低70％以上；真空烧结制备的多孔复杂形状钛合金零部件的烧结收缩系数控制在1.155‑1.17，无需额外的整形配套装备；以低熔点金属粉末真空热处理溶渗，去消除多孔钛合金零件的残余孔隙，实现钛合金零部件放入全致密。
Description
技术领域
本发明属于金属注射成形的技术领域，涉及一种低成本注射成形制备全致密钛合金零部件的方法。
背景技术
我国是注射成形大国，2020年我国金属注射成形的产值就将近达到80亿元，占全球的40％，主要以不锈钢零件为主。由于钛合金具有密度低、强度高、无磁、生物相容性好、耐腐蚀等优点，被称为“未来的钢铁”；世界各国政府都在竞相发展钛合金，尤其是注射成形得到复杂形状的钛合金零部件。
目前，注射成形钛合金对粉末原料的要求较高，通常要求粉末近球形或球形，粉末装载量一般要求60vol.％左右，烧结收缩率一般控制在1.155-1.175，故而微细低氧的球形钛粉是现有发展注射成形钛合金的核心原材料。
然而，钛合金极其活泼，目前仍没有盛放钛液的坩埚，熔炼必须在高真空或高纯惰性气体保护下进行，难以通过传统熔炼雾化的方式制备微细球形钛粉，造成球形钛粉的价格昂贵，达到1000元/kg，这些高成本低氧含量控制和钛粉的近球形控制都限制了注射成形钛合金的工业化发展。
例如：中国专利CN 108555278 A公开了一种用于钛合金粉末注射成型的粘结剂以及注射成型钛合金零件的方法，其中的钛合金粉末为球形粉末，注射温度分四段，粘结剂成分复杂，制备成本高，装载量为60％-70％，装载量高，熔炼过程需要真空环境控制。
中国专利CN 109909497 A公开了粉末表面处理剂、钛或钛合金粉末注射成形方法及制品，其中虽然钛合金粉选择可以为不规则的氢化脱氢钛粉，但是需要额外的制备球形粉末的表面处理剂，加大了生产成本，且并未对装载量和致密度、烧结收缩率进行控制。
中国专利CN 110935878 A公开了一种钛合金零件的注射成形方法，其中采用热等静压(HIP)烧结致密化得到钛合金零件，钛合金粉末为气雾化粉末，制备成本高，不利于工业使用；且热等静压(HIP)确实在一定程度上能够控制烧结收缩率和烧结致密度，然而所制备得到的钛合金零件并非全致密。
而氢化脱氢钛粉是采用氢化脱氢工艺制备得到的，虽然形状不规则，但是相对于近球形钛粉成本较低，通常200-300元/kg；且现有的氢化脱氢钛粉因形状不规则，限制其装载量一般不超过55vol.％，导致注射成形钛合金的烧结收缩率大大超过1.2，致密度较低；如果有某种方法能够采用不规则钛粉进行注射成形，且不影响烧结收缩率的控制的基础上进一步降低粉末装载量和提高注射成型钛合金零部件的致密度，能够大幅度降低钛合金的生产成本。
发明内容
本发明解决的技术问题是现有技术中的金属注射成型过程中的粘结剂占比小而钛合金粉末占比大，钛合金粉末需要近球形的高成本和烧结收缩率、烧结致密度难以控制；且传统制备方式所制备得到的钛合金零部件并非全致密，不适合复杂钛合金零部件的工业大规模生产和推广。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种低成本注射成形制备全致密钛合金零部件的方法，所述方法包括如下步骤：
S1、原料称量：按不规则钛粉末和成形粘结剂的体积百分比中不规则钛粉末占45-53vol.％称量；
S2、密炼：将所述步骤S1称量的不规则钛粉末或钛合金粉末和成形粘结剂一起放到密炼仓内，进行密炼得到混合料；
S3、造粒：将所述步骤S2的混合料挤出造粒，从而获得注射喂料；
S4、注射成型：将所述步骤S3得到的注射喂料倒入注射机的料仓中，之后注射进入模具中，随后取出获得复杂形状的坯体；
S5、酸脱脂：将所述步骤S4中的坯体放入草酸或硝酸脱脂炉中进行酸脱，获得酸脱坯体；
S6、热脱脂+真空烧结：将所述步骤S5中的酸脱坯体放入金属场脱脂烧结炉中进行脱脂烧结，之后进行真空烧结，冷却后获得多孔复杂形状零部件；
S7、刷覆+热处理：对所述步骤S6中的多孔复杂形状零部件表面刷覆低熔点金属粉末料浆，之后进行真空热处理，冷却后获得全致密的复杂形状钛合金零部件。
优选地，所述步骤S1中的不规则钛粉末或钛合金粉末为各种市售牌号的纯钛或钛合金粉末，粉末粒径35μm≤D90≤75μm，氧含量＜0.1wt.％。
优选地，所述步骤S1中的成形粘结剂为丙烯酸十八酯0.2-4wt.％，乙撑双硬脂酰胺0.1-0.5wt.％，乙烯-醋酸乙烯共聚物1-3wt.％，聚乙烯2-8wt.％，聚丙烯2-10wt.％，巴斯夫抗氧化剂0.1-1wt.％，余量为聚甲醛。
优选地，所述步骤S2中的密炼过程为打开密炼造粒一体机，在160-180℃下预热30-60min后，将不规则钛粉末或钛合金粉末和成形粘结剂一起放到密炼仓内进行密炼，密炼温度为160-170℃，滚轴转速5-30r/min，密炼时间为30-60min。
优选地，所述步骤S3中的造粒过程的挤出温度为160-170℃，挤出转速为10-30r/min，切粒温度为160-170℃，切粒转速为200-400r/min。
优选地，所述步骤S4中的注射喂料倒入注射机的料仓需要先将模具温度加热至80-120℃，注射温度为150-175℃。
优选地，所述步骤S5中的酸脱温度为110-140℃，酸脱3-10h。
优选地，所述步骤S6中的热脱脂温度为250-650℃，保温5-12h；烧结温度为1100-1300℃，保温2-5h，真空度为10-3-10-1Pa。
优选地，所述步骤S6中的热脱脂为三阶段脱脂，其中：一阶段脱脂的温度为250-300℃，保温2-3h；二阶段脱脂的温度为400-450℃，保温1.5-3h；三阶段脱脂的温度为600-650℃，保温2-4h。
优选地，所述步骤S7中的低熔点金属粉末与酒精或丙酮溶剂配成低熔点金属粉末料浆，粉末体积百分比为85-95vol.％；热处理温度为300-1000℃，保温3-6h，真空度为＜10Pa。
优选地，所述步骤S7中的低熔点金属粉末为铝粉、锡粉、铝钒合金粉、铝硅合金粉、铜锡合金粉或铜铝合金粉中的至少一种。
优选地，所述步骤S7中的低熔点金属粉末还适用于各种熔点低于1000℃的其他合金粉末。
优选地，所述步骤S7中的刷覆低熔点金属粉末浆料的厚度由所述步骤S6中的多孔复杂形状零件的残余孔隙率和所述步骤S7中的低熔点金属粉末的密度共同决定。
优选地，所述步骤S6中的多孔复杂形状零部件的烧结收缩率为1.155-1.17，残余孔隙率为9-20％。
优选地，低成本注射成形制备全致密钛合金零部件的生产成本相对现有技术降低70％以上，全致密钛合金零部件无残留孔隙或相对密度不低于99％。
本发明实施例提供的上述技术方案，至少具有如下有益效果：
上述方案中，本发明提出了一种低成本制备全致密注射成形钛合金的方法，以低氧粗不规则钛粉末或钛合金粉末为原料进行注射成形，不仅能够实现低氧含量控制，而且脱脂烧结后，注射零件的收缩率仍控制在1.155-1.17，实现了注射成形钛合金全致密、尺寸精确控制和低氧含量制备。
本发明的粗不规则钛粉或钛合金粉末为35μm≤D90≤75μm的钛粉或钛合金粉末，与传统采用微细球形钛粉或钛合金粉末(10-20μm)存在本质区别，粗粉不易氧化，有利于实现注射成形钛合金的低氧含量，且不规则钛粉末的成本远低于球形钛粉，生产成本相对降低70％以上。
本发明使用不规则钛粉的装载量低可以保证零件的收缩变形，进而实现零件尺寸的精确控制；与常规MIM整形设备收缩率一致，可以满足后续钛合金注射产品整形要求，无需额外的整形配套装备。
本发明基于真空烧结的多孔复杂形状零部件存在残余孔隙率，提出将低熔点金属粉末料浆刷覆在复杂形状零部件的表面，在真空负压热处理过程中表面刷覆的低熔点金属粉末将溶渗到多孔零部件内部，合金元素将均匀扩散至钛基体内部，消除残余孔隙以获得全致密的钛合金零件，并可保证钛合金组织成分均匀，最终获得低成本全致密的钛合金零件。
本发明在低熔点金属粉末溶渗扩散过程中，多孔零部件不会再发生烧结收缩变形，产品尺寸和精度得到精确控制；且制备方法操作简单、成本低、产品尺寸精度控制性高，有利于促进注射成形钛合金的低成本工业化发展。
总之，本发明制备工艺简单，流程短，适用性强，脱脂效果好，不规则钛粉末的装载量、真空烧结温度、烧结收缩率及残余孔隙率协同对多孔复杂形状零部件的烧结收缩率和致密度进行控制，四者间是相互关联影响的，无法根据常规实验操作推算获得；且其烧结收缩系数与传统注射成形一致，所制备的复杂形状钛合金零部件全致密且组织均匀，适合复杂金属零部件的工业大规模生产和推广。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。
实施例1
一种低成本注射成形制备全致密钛合金零部件的方法，所述方法包括如下步骤：
S1、原料称量：按不规则钛粉末和成形粘结剂的体积百分比中不规则钛粉末占48vol.％称量；其中不规则钛粉末为不规则TC4钛合金粉末，粉末粒径D90为50μm，氧含量为0.08wt.％；成形粘结剂中丙烯酸十八酯2.5wt.％，乙撑双硬脂酰胺0.4wt.％，乙烯-醋酸乙烯共聚物2.2wt.％，聚乙烯7wt.％，聚丙烯5.3wt.％，巴斯夫抗氧化剂0.5wt.％，余量为聚甲醛；
S2、密炼：打开密炼造粒一体机，在175℃下预热40min后，将所述步骤S1称量的不规则钛粉末和成形粘结剂一起放到密炼仓内进行密炼，密炼温度为168℃，滚轴转速20r/min，密炼时间为35min，得到混合料；
S3、造粒：将所述步骤S2的混合料挤出造粒，挤出温度为165℃，挤出转速为15r/min，切粒温度为160℃，切粒转速为280r/min，从而获得钛合金注射喂料；
S4、注射成型：先将模具温度加热至80℃，然后将所述步骤S3得到的钛合金注射喂料倒入注射机的料仓中，之后注射进入模具中，注射温度为165℃，随后取出获得复杂形状的钛合金坯体；
S5、酸脱脂：将所述步骤S4中的钛合金坯体放入草酸或硝酸脱脂炉中进行酸脱，酸脱温度为130℃，酸脱5h，获得酸脱坯体；
S6、热脱脂+真空烧结：将所述步骤S5中的酸脱坯体放入金属场脱脂烧结炉中进行脱脂烧结，一阶段脱脂的温度为250℃，保温2h；二阶段脱脂的温度为450℃，保温2h；三阶段脱脂的温度为600℃，保温2h；之后进行真空烧结，烧结温度为1170℃，保温3h，真空度为10- 3Pa，冷却后获得多孔锯齿状钛合金零部件；该多孔锯齿状钛合金零部件的烧结收缩率为1.163，残余孔隙率为～14％；
S7、刷覆+热处理：对所述步骤S6中的多孔锯齿状钛合金零部件表面刷覆低熔点金属粉末料浆，厚度为2mm；其中的低熔点金属粉末料浆由密度为7.28g/cm3的低熔点锡粉与酒精或丙酮溶剂配成，粉末体积百分比为85vol.％；之后进行真空热处理，热处理温度为300℃，保温4h，真空度为＜10Pa，冷却后获得全致密的锯齿状钛合金零部件，无残留孔隙，生产成本相对降低73％。
实施例2
一种低成本注射成形制备全致密钛合金零部件的方法，所述方法包括如下步骤：
S1、原料称量：按不规则钛粉末和成形粘结剂的体积百分比中不规则钛粉末占45vol.％称量；其中不规则钛粉末放入粉末粒径D90为65μm，氧含量为0.09wt.％；成形粘结剂中丙烯酸十八酯3.1wt.％，乙撑双硬脂酰胺0.36wt.％，乙烯-醋酸乙烯共聚物2.4wt.％，聚乙烯5wt.％，聚丙烯6wt.％，巴斯夫抗氧化剂0.6wt.％，余量为聚甲醛；
S2、密炼：打开密炼造粒一体机，在170℃下预热50min后，将所述步骤S1称量的不规则钛粉末和成形粘结剂一起放到密炼仓内进行密炼，密炼温度为165℃，滚轴转速15r/min，密炼时间为45min，得到混合料；
S3、造粒：将所述步骤S2的混合料挤出造粒，挤出温度为164℃，挤出转速为20r/min，切粒温度为160℃，切粒转速为300r/min，从而获得钛注射喂料；
S4、注射成型：先将模具温度加热至90℃，然后将所述步骤S3得到的钛注射喂料倒入注射机的料仓中，之后注射进入模具中，注射温度为168℃，随后取出获得复杂形状的钛坯体；
S5、酸脱脂：将所述步骤S4中的钛坯体放入草酸或硝酸脱脂炉中进行酸脱，酸脱温度为125℃，酸脱6h，获得酸脱坯体；
S6、热脱脂+真空烧结：将所述步骤S5中的酸脱坯体放入金属场脱脂烧结炉中进行脱脂烧结，一阶段脱脂的温度为300℃，保温3h；二阶段脱脂的温度为400℃，保温1.5h；三阶段脱脂的温度为650℃，保温3h；之后进行真空烧结，烧结温度为1230℃，保温2h，真空度为10-2Pa，冷却后获得多孔U形钛合金零部件；该多孔U形钛合金零部件的烧结收缩率为1.156，残余孔隙率为～14％；
S7、刷覆+热处理：对所述步骤S6中的多孔U形钛合金零部件表面刷覆低熔点金属粉末料浆，厚度为0.8mm；其中的低熔点金属粉末料浆由密度为3.47g/cm3的低熔点铝钒合金粉与酒精或丙酮溶剂配成，粉末体积百分比为90vol.％；之后进行真空热处理，热处理温度为950℃，保温4h，真空度为＜10Pa，冷却后获得全致密的U形钛合金零部件，相对密度99％，生产成本相对降低75％。
实施例3
一种低成本注射成形制备全致密钛合金零部件的方法，所述方法包括如下步骤：
S1、原料称量：按不规则钛粉末和成形粘结剂的体积百分比中不规则钛粉末占50vol.％称量；其中不规则钛粉末为不规则TA15钛合金粉末，粉末粒径D90为45μm，氧含量为0.09wt.％；成形粘结剂中丙烯酸十八酯3.5wt.％，乙撑双硬脂酰胺0.3wt.％，乙烯-醋酸乙烯共聚物2.8wt.％，聚乙烯6wt.％，聚丙烯8wt.％，巴斯夫抗氧化剂0.4wt.％，余量为聚甲醛；
S2、密炼：打开密炼造粒一体机，在175℃下预热50min后，将所述步骤S1称量的不规则钛粉末和成形粘结剂一起放到密炼仓内进行密炼，密炼温度为170℃，滚轴转速10r/min，密炼时间为30min，得到混合料；
S3、造粒：将所述步骤S2的混合料挤出造粒，挤出温度为166℃，挤出转速为25r/min，切粒温度为163℃，切粒转速为320r/min，从而获得钛合金注射喂料；
S4、注射成型：先将模具温度加热至88℃，然后将所述步骤S3得到的钛合金注射喂料倒入注射机的料仓中，之后注射进入模具中，注射温度为170℃，随后取出获得复杂形状的钛合金坯体；
S5、酸脱脂：将所述步骤S4中的钛合金坯体放入草酸或硝酸脱脂炉中进行酸脱，酸脱温度为110℃，酸脱3h，获得酸脱坯体；
S6、热脱脂+真空烧结：将所述步骤S5中的酸脱坯体放入金属场脱脂烧结炉中进行脱脂烧结，一阶段脱脂的温度为280℃，保温2h；二阶段脱脂的温度为420℃，保温3h；三阶段脱脂的温度为620℃，保温4h；之后进行真空烧结，烧结温度为1100℃，保温2h，真空度为10- 1Pa，冷却后获得多孔狗骨头状钛合金零部件；该多孔狗骨头状钛合金零部件的烧结收缩率为1.158，残余孔隙率为～16％；
S7、刷覆+热处理：对所述步骤S6中的多孔狗骨头状钛合金零部件表面刷覆低熔点金属粉末料浆，厚度为0.8mm；其中的低熔点金属粉末料浆由密度为2.76g/cm3的低熔点铜铝合金粉与酒精或丙酮溶剂配成，粉末体积百分比为90vol.％；之后进行真空热处理，热处理温度为730℃，保温5h，真空度为＜10Pa，冷却后获得全致密的狗骨头状钛合金零部件，无残留孔隙，生产成本相对降低72％。
实施例4
一种低成本注射成形制备全致密钛合金零部件的方法，所述方法包括如下步骤：
S1、原料称量：按不规则钛粉末和成形粘结剂的体积百分比中不规则钛粉末占51vol.％称量；其中不规则钛粉末为不规则TB15钛合金粉末，粉末粒径D90为40μm(，氧含量为0.095wt.％；成形粘结剂中丙烯酸十八酯0.2wt.％，乙撑双硬脂酰胺0.1wt.％，乙烯-醋酸乙烯共聚物1wt.％，聚乙烯2wt.％，聚丙烯2wt.％，巴斯夫抗氧化剂0.1wt.％，余量为聚甲醛；
S2、密炼：打开密炼造粒一体机，在160℃下预热30min后，将所述步骤S1称量的不规则钛粉末和成形粘结剂一起放到密炼仓内进行密炼，密炼温度为160℃，滚轴转速5r/min，密炼时间为30min，得到混合料；
S3、造粒：将所述步骤S2的混合料挤出造粒，挤出温度为160℃，挤出转速为10r/min，切粒温度为165℃，切粒转速为200r/min，从而获得钛合金注射喂料；
S4、注射成型：先将模具温度加热至100℃，然后将所述步骤S3得到的钛合金注射喂料倒入注射机的料仓中，之后注射进入模具中，注射温度为150℃，随后取出获得复杂形状的钛合金坯体；
S5、酸脱脂：将所述步骤S4中的钛合金坯体放入草酸或硝酸脱脂炉中进行酸脱，酸脱温度为118℃，酸脱8.5h，获得酸脱坯体；
S6、热脱脂+真空烧结：将所述步骤S5中的酸脱坯体放入金属场脱脂烧结炉中进行脱脂烧结，一阶段脱脂的温度为260℃，保温2.7h；二阶段脱脂的温度为410℃，保温2.7h；三阶段脱脂的温度为610℃，保温2.3h；之后进行真空烧结，烧结温度为1170℃，保温3.5h，真空度为10-3Pa，冷却后获得多孔回形状钛合金零部件；该多孔回形状钛合金零部件的烧结收缩率为1.168，残余孔隙率为～11％；
S7、刷覆+热处理：对所述步骤S6中的多孔回形状钛合金零部件表面刷覆低熔点金属粉末料浆，厚度为0.67mm；其中的低熔点金属粉末料浆由密度为2.7g/cm3的低熔点铝粉与酒精或丙酮溶剂配成，粉末体积百分比为85vol.％；之后进行真空热处理，热处理温度为750℃，保温6h，真空度为＜10Pa，冷却后获得全致密的回形状钛合金零部件，无残留孔隙，生产成本相对降低76％。
实施例5
一种低成本注射成形制备全致密钛合金零部件的方法，所述方法包括如下步骤：
S1、原料称量：按不规则钛粉末和成形粘结剂的体积百分比中不规则钛粉末占52vol.％称量；其中不规则钛粉末为不规则TiAl钛合金粉末，粉末粒径D90为70μm，氧含量为0.077wt.％；成形粘结剂中丙烯酸十八酯0.9wt.％，乙撑双硬脂酰胺0.2wt.％，乙烯-醋酸乙烯共聚物1.5wt.％，聚乙烯4wt.％，聚丙烯4wt.％，巴斯夫抗氧化剂0.4wt.％，余量为聚甲醛；
S2、密炼：打开密炼造粒一体机，在175℃下预热55min后，将所述步骤S1称量的不规则钛粉末和成形粘结剂一起放到密炼仓内进行密炼，密炼温度为165℃，滚轴转速25r/min，密炼时间为50min，得到混合料；
S3、造粒：将所述步骤S2的混合料挤出造粒，挤出温度为168℃，挤出转速为13r/min，切粒温度为167℃，切粒转速为350r/min，从而获得钛合金注射喂料；
S4、注射成型：先将模具温度加热至110℃，然后将所述步骤S3得到的钛合金注射喂料倒入注射机的料仓中，之后注射进入模具中，注射温度为155℃，随后取出获得复杂形状的钛合金坯体；
S5、酸脱脂：将所述步骤S4中的钛合金坯体放入草酸或硝酸脱脂炉中进行酸脱，酸脱温度为127℃，酸脱9h，获得酸脱坯体；
S6、热脱脂+真空烧结：将所述步骤S5中的酸脱坯体放入金属场脱脂烧结炉中进行脱脂烧结，一阶段脱脂的温度为270℃，保温2-3h；二阶段脱脂的温度为440℃，保温2.2h；三阶段脱脂的温度为640℃，保温3.1h；之后进行真空烧结，烧结温度为1150℃，保温2.8h，真空度为10-2Pa，冷却后获得多孔阶梯状钛合金零部件；该多孔阶梯状钛合金零部件的烧结收缩率为1.155，残余孔隙率为～20％；
S7、刷覆+热处理：对所述步骤S6中的多孔阶梯状钛合金零部件表面刷覆低熔点金属粉末料浆，厚度为0.85mm；其中的低熔点金属粉末料浆由密度为2.65g/cm3的低熔点铝硅合金粉与酒精或丙酮溶剂配成，粉末体积百分比为89vol.％；之后进行真空热处理，热处理温度为830℃，保温4h，真空度为＜10Pa，冷却后获得全致密的阶梯状钛合金零部件，相对密度99％，生产成本相对降低74％。
实施例6
一种低成本注射成形制备全致密钛合金零部件的方法，所述方法包括如下步骤：
S1、原料称量：按不规则钛粉末和成形粘结剂的体积百分比中不规则钛粉末占45vol.％称量；其中不规则钛粉末为不规则TC11钛合金粉末，粉末粒径D90为35μm，氧含量为0.085wt.％；成形粘结剂中丙烯酸十八酯1.2wt.％，乙撑双硬脂酰胺0.2wt.％，乙烯-醋酸乙烯共聚物1wt.％，聚乙烯7wt.％，聚丙烯3wt.％，巴斯夫抗氧化剂0.6wt.％，余量为聚甲醛；
S2、密炼：打开密炼造粒一体机，在172℃下预热60min后，将所述步骤S1称量的不规则钛粉末和成形粘结剂一起放到密炼仓内进行密炼，密炼温度为164℃，滚轴转速30r/min，密炼时间为57min，得到混合料；
S3、造粒：将所述步骤S2的混合料挤出造粒，挤出温度为169℃，挤出转速为28r/min，切粒温度为170℃，切粒转速为390r/min，从而获得钛合金注射喂料；
S4、注射成型：先将模具温度加热至120℃，然后将所述步骤S3得到的钛合金注射喂料倒入注射机的料仓中，之后注射进入模具中，注射温度为173℃，随后取出获得复杂形状的钛合金坯体；
S5、酸脱脂：将所述步骤S4中的钛合金坯体放入草酸或硝酸脱脂炉中进行酸脱，酸脱温度为137℃，酸脱7h，获得酸脱坯体；
S6、热脱脂+真空烧结：将所述步骤S5中的酸脱坯体放入金属场脱脂烧结炉中进行脱脂烧结，一阶段脱脂的温度为290℃，保温2.2h；二阶段脱脂的温度为430℃，保温1.8h；三阶段脱脂的温度为630℃，保温3.5h；之后进行真空烧结，烧结温度为1250℃，保温4.5h，真空度为10-1Pa，冷却后获得多孔上凹下凸状钛合金零部件；该多孔上凹下凸状钛合金零部件的烧结收缩率为1.17，残余孔隙率为～9％；
S7、刷覆+热处理：对所述步骤S6中的多孔上凹下凸状钛合金零部件表面刷覆低熔点金属粉末料浆，厚度为1.8mm；其中的低熔点金属粉末料浆由密度为8.05g/cm3的低熔点铜锡合金粉与酒精或丙酮溶剂配成，粉末体积百分比为93vol.％；之后进行真空热处理，热处理温度为980℃，保温3h，真空度为＜10Pa，冷却后获得全致密的上凹下凸状钛合金零部件，相对密度99.2％，生产成本相对降低73％。
上述方案中，本发明提出了一种低成本制备全致密注射成形钛合金的方法，以低氧粗不规则钛粉末为原料进行注射成形，不仅能够实现低氧含量控制，而且脱脂烧结后，注射零件的收缩率仍控制在1.155-1.17，实现了注射成形钛合金全致密、尺寸精确控制和低氧含量制备。
本发明的粗不规则钛合金粉末为35μm≤D90≤75μm的钛合金粉末，与传统采用微细球形钛粉(10-20μm)存在本质区别，粗粉不易氧化，有利于实现注射成形钛合金的低氧含量，且不规则钛粉末的成本远低于球形钛粉，生产成本相对降低70％以上。
本发明使用不规则钛粉的装载量低可以保证零件的收缩变形，进而实现零件尺寸的精确控制；与常规MIM整形设备收缩率一致，可以满足后续钛合金注射产品整形要求，无需额外的整形配套装备。
本发明基于真空烧结的多孔复杂形状钛合金零部件存在残余孔隙率，提出将低熔点金属粉末刷覆在复杂形状零件的表面，在真空负压热处理过程中表面刷覆的低熔点金属粉末将溶渗到多孔钛合金零件内部，合金元素将均匀扩散至钛基体内部，消除残余孔隙以获得全致密的钛合金零件，并可保证钛合金组织成分均匀，最终获得低成本全致密的钛合金零件。
本发明在低熔点金属粉末溶渗扩散过程中，多孔钛合金零件不会再发生烧结收缩变形，产品尺寸和精度得到精确控制；且制备方法操作简单、成本低、产品尺寸精度控制性高，有利于促进注射成形钛合金的低成本工业化发展。
总之，本发明制备工艺简单，流程短，适用性强，脱脂效果好，不规则钛粉末的装载量、真空烧结温度、烧结收缩率及残余孔隙率协同对多孔复杂形状钛合金的烧结收缩率和致密度进行控制，四者间是相互关联影响的，无法根据常规实验操作推算获得；且其烧结收缩系数与传统注射成形一致，所制备的复杂形状钛合金零部件全致密且组织均匀，适合复杂金属零部件的工业大规模生产和推广。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种低成本注射成形制备全致密钛合金零部件的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、原料称量：按不规则钛粉末或钛合金粉末和成形粘结剂的体积百分比中不规则钛粉末占45-53vol.％称量；
S2、密炼：将所述步骤S1称量的不规则钛粉末和成形粘结剂一起放到密炼仓内，进行密炼得到混合料；
S3、造粒：将所述步骤S2的混合料挤出造粒，从而获得注射喂料；
S4、注射成型：将所述步骤S3得到的注射喂料倒入注射机的料仓中，之后注射进入模具中，随后取出获得复杂形状的坯体；
S5、酸脱脂：将所述步骤S4中的坯体放入草酸或硝酸脱脂炉中进行酸脱，获得酸脱坯体；
S6、热脱脂+真空烧结：将所述步骤S5中的酸脱坯体放入金属场脱脂烧结炉中进行脱脂烧结，之后进行真空烧结，冷却后获得多孔复杂形状零部件；
S7、刷覆+热处理：对所述步骤S6中的多孔复杂形状钛合金零部件表面刷覆低熔点金属粉末料浆，之后进行真空热处理，冷却后获得全致密的复杂形状钛合金零部件。
2.根据权利要求1所述的低成本注射成形制备全致密钛合金零部件的方法，其特征在于，所述步骤S1中的不规则钛粉末或钛合金粉末为各种市售牌号的纯钛或钛合金粉末，粉末粒径35μm≤D90≤75μm，氧含量＜0.1wt.％。
3.根据权利要求1所述的低成本注射成形制备全致密钛合金零部件的方法，其特征在于，所述步骤S1中的成形粘结剂为丙烯酸十八酯0.2-4wt.％，乙撑双硬脂酰胺0.1-0.5wt.％，乙烯-醋酸乙烯共聚物1-3wt.％，聚乙烯2-8wt.％，聚丙烯2-10wt.％，巴斯夫抗氧化剂0.1-1wt.％，余量为聚甲醛。
4.根据权利要求1所述的低成本注射成形制备全致密钛合金零部件的方法，其特征在于，所述步骤S2中的密炼过程为打开密炼造粒一体机，在160-180℃下预热30-60min后，将不规则钛粉末或钛合金粉末和成形粘结剂一起放到密炼仓内进行密炼，密炼温度为160-170℃，滚轴转速5-30r/min，密炼时间为30-60min。
5.根据权利要求1所述的低成本注射成形制备全致密钛合金零部件的方法，其特征在于，所述步骤S3中的造粒过程的挤出温度为160-170℃，挤出转速为10-30r/min，切粒温度为160-170℃，切粒转速为200-400r/min。
6.根据权利要求1所述的低成本注射成形制备全致密钛合金零部件的方法，其特征在于，所述步骤S4中的注射喂料倒入注射机的料仓需要先将模具温度加热至80-120℃，注射温度为150-175℃。
7.根据权利要求1所述的低成本注射成形制备全致密钛合金零部件的方法，其特征在于，所述步骤S5中的酸脱温度为110-140℃，酸脱3-10h。
8.根据权利要求1所述的低成本注射成形制备全致密钛合金零部件的方法，其特征在于，所述步骤S6中的热脱脂温度为250-650℃，保温5-12h；烧结温度为1100-1300℃，保温2-5h，真空度为10-3-10-1Pa。
9.根据权利要求1所述的低成本注射成形制备全致密钛合金零部件的方法，其特征在于，所述步骤S7中的低熔点金属粉末与酒精或丙酮溶剂配成低熔点金属粉末料浆，粉末体积百分比为85-95vol.％；热处理温度为300-1000℃，保温3-6h，真空度为＜10Pa。
10.根据权利要求1所述的低成本注射成形制备全致密钛合金零部件的方法，其特征在于，所述步骤S6中的多孔复杂形状零部件的烧结收缩率为1.155-1.17，残余孔隙率为9-20％。
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