CN102586639A - 一种高速压制成形制备钛合金的方法 - Google Patents
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Abstract
一种高速压制成形制备钛合金的方法。其步骤为：混合含钛金属粉末、润滑模壁、高速压制成形制备压坯和真空烧结。本发明通过高速压制成形和真空烧结制备出高致密钛合金，工艺简单，实现了短流程、低成本制备高性能钛合金。制备的钛合金的致密度≥98.08％，硬度HV为374～394，弯曲强度为1439～2170MPa。本发明还可适用于以钛为基体的其它钛合金、钛基复合材料的制备。
Description
技术领域
本发明属于粉末冶金技术领域，特别属于一种利用高速压制成形制备钛合金的方法。
背景技术
钛合金具有密度小、比强度高和耐蚀性能好等优良特性，在航空航天、舰船、化工、汽车和医疗器械等领域得到广泛应用，尤其是在汽车工业和民用领域的应用正日益扩大。然而传统的钛制备工艺复杂、生产成本高，严重地阻碍了钛的应用和发展。粉末冶金是一种近净成形、低成本的材料制备技术，但钛塑性差、加工硬化速率高的特性使其用传统的模压方法成形十分困难，压坯致密度通常低于85％，需要进一步借助热压或热等静压等工艺提高密度，导致制造成本急剧升高。因此，寻求高性能、低成本的制备技术一直是钛材的发展目标。高速压制技术的出现则有望解决钛难致密和制造成本高的难题。
高速压制技术是2001年出现的一种高效率制备高性能粉末冶金零件的新技术。与传统成形方法相比，该技术具有成本低、压坯密度高且分布均匀、低弹性后效(比常规降低30％)和高精度、模具使用寿命长(≥十万次)和粉末烧结活性好等特点。以成形铁粉为例，传统压制的压坯密度为7.1g/cm3，温压的为7.3g/cm3，而高速压制的可高达7.5g/cm3。当密度达到一定值后，材料的硬度、抗拉强度、疲劳强度、韧性等都会随密度的增加而呈几何级数增大。
目前，高速压制技术成形Fe粉、Cu粉、Ti粉和不锈钢粉已获得较好效果，压坯致密度均可达到95％。尤其是高速压制Ti粉的压坯致密度为97.1％，经烧结后获得了全致密的纯Ti材料。高速压制也可成形钛合金粉末(Ti-6Al-4V)，制备钛合金的致密度≥95％。目前尚没有采用高速压制技术成形钛混合粉末制备钛合金的报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有钛合金制备工艺复杂、成本高等不足，提供一种利用粉末冶金高速压制成形制备钛合金的方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：混合含钛金属粉末、润滑模壁、高速压制成形制备压坯和真空烧结，其步骤如下：
(1)按重量百分比计，87.2Ti-4.5Al-6.8Mo-1.5Fe的配比称取粒径12.94～53.06μm的Ti粉、粒径2～3μm的Al粉、粒径5～10μm的Mo粉和粒径1～5μm的Fe粉，在氩气气氛中球磨8h，得到混合粉末；
(2)用硬脂酸锌无水乙醇乳浊液润滑模腔内壁；
(3)将混合粉末填充于模腔内，加压至60～70MPa，保压1～3s，预压排气；
(4)采用冲击速度为3.36～4.50m/s、冲击能量与装粉量之比为760～1370J∶8.30～9.00g，制备压坯；
(5)将压坯置于真空烧结炉中，升温速率为2～4℃/min，在真空度为1×10-3～1×10-4Pa和1050～1250℃下烧结，保温2～3h，得到所述钛合金。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.通常采用模压成形Ti粉需要加入高质量含量的润滑剂，而本发明无需添加润滑剂即实现粉末的高致密成形，避免了氧、碳等间隙元素的污染使材料性能恶化；
2.本发明高速压制成形混合粉末的致密度＞95％，显著高于采用冷等静压成形的通常为85％的致密度；而烧结后致密度≥98％。这种高致密度通常要采用高成本的热等静压才能达到；硬度HV为374～394，弯曲强度为1439～2170MPa。
3.本发明实现了短流程、低成本制备高密度、高性能钛合金，工艺简单，成本低，实用性好，所制备出的钛合金致密度高，性能优良。
本发明还可适用于以钛为基体的其它钛合金、钛基复合材料的制备。
附图说明
图1为实施例5在1050℃烧结下制备的钛合金金相照片；
图2为实施例5在1150℃烧结下制备钛合金的金相照片；
图3为实施例5在1250℃烧结下制备钛合金的金相照片。
具体实施方式
下面结合实施例进一步详细描述本发明，但本发明实施方式不限于此。
实施例1
采用市售的氢化脱氢Ti粉、Al粉、Mo粉和Fe粉，Ti粉粒径12.94～53.06μm、Al粉粒径2～3μm，Mo粉粒径为5～10μm，Fe粉粒径为1～5μm。高速压制成形制备钛合金的步骤及工艺条件如下：
称取Ti粉436g、Al粉22.5g、Mo粉34g和Fe粉7.5g置于球磨罐中，充入氩气，在球磨机上球磨8h，球磨成均匀的混合粉末；用硬脂酸锌无水乙醇乳浊液润滑模腔内壁；将混合粉末填充于模腔内，加压至60MPa，保压3s，预压排气；采用冲击速度为3.36m/s、冲击能量与装粉量之比为J760J∶9.00g，制备压坯；将压坯置于高真空烧结炉中，升温速率为2℃/min，在真空度为1×10-3～1×10-4Pa和1050～1250℃下烧结，保温时间3h，随炉冷却制备钛合金。所制备压坯的密度为4.166g/cm3，烧结后性能见表1：
表1
| 烧结温度/℃ | 1050 | 1150 | 1250 |
| 烧结密度/(g/cm3) | 4.541 | 4.598 | 4.617 |
| 烧结致密度/％ | 98.08 | 99.31 | 99.72 |
注：基于87.2Ti-4.5Al-6.8Mo-1.5Fe合金的理论密度为4.63g/cm3计算的致密度。
实施例2：
制备方法同实施例1。步骤(3)的压力为70MPa，保压1s；冲击速度为3.68m/s、冲击能量与装粉量之比为913J∶8.85g；升温速率为4℃/min，烧结保温时间为2h，所制备压坯的密度为4.241g/cm3，烧结后性能见表2：
表2
| 烧结温度/℃ | 1050 | 1150 | 1250 |
| 烧结密度/(g/cm3) | 4.568 | 4.615 | 4.621 |
| 烧结致密度/％ | 98.66 | 99.68 | 99.81 |
实施例3
制备方法同实施例2。冲击速度为3.97m/s、冲击能量与装粉量之比为1065J∶8.34g，所制备压坯的密度为4.318g/cm3，烧结后性能见表3：
表3
| 烧结温度/℃ | 1050 | 1150 | 1250 |
| 烧结密度/(g/cm3) | 4.589 | 4.624 | 4.624 |
| 烧结致密度/％ | 99.11 | 99.87 | 99.87 |
实施例4
制备方法同实施例2。冲击速度为4.25m/s、冲击能量与装粉量之比为1217J∶8.89g，所制备压坯的密度为4.386g/cm3，烧结后性能见表4：
表4
| 烧结温度/℃ | 1050 | 1150 | 1250 |
| 烧结密度/(g/cm3) | 4.594 | 4.626 | 4.628 |
| 烧结致密度/％ | 99.22 | 99.91 | 99.96 |
实施例5
制备方法同实施例2。冲击速度为4.50m/s、冲击能量与装粉量之比为1370J∶8.64g，所制备压坯的密度为4.400g/cm3，烧结后性能见表5：
表5
| 烧结温度/℃ | 1050 | 1150 | 1250 |
| 烧结密度/(g/cm3) | 4.601 | 4.628 | 4.629 |
| 烧结致密度/％ | 99.37 | 99.96 | 99.98 |
| 硬度 | 394 | 374 | 377 |
| 弯曲强度 | 1846 | 2170 | 1439 |
Claims (1)
1.一种高速压制成形制备钛合金的方法，其特征在于：混合含钛金属粉末、润滑模壁、高速压制成形制备压坯和真空烧结，其步骤如下：
(1)按重量百分比计，87.2Ti-4.5Al-6.8Mo-1.5Fe的配比称取粒径12.94～53.06μm的Ti粉、粒径2～3μm的Al粉、粒径5～10μm的Mo粉和粒径1～5μm的Fe粉，在氩气气氛中球磨8h，得到混合粉末；
(2)用硬脂酸锌无水乙醇乳浊液润滑模腔内壁；
(3)将混合粉末填充于模腔内，加压至60～70MPa，保压1～3s，预压排气；
(4)采用冲击速度为3.36～4.50m/s、冲击能量与装粉量之比为760～1370J∶8.30～9.00g，制备压坯；
(5)将压坯置于真空烧结炉中，升温速率为2～4℃/min，在真空度为1×10-3～1×10-4Pa和1050～1250℃下烧结，保温2～3h，得到所述钛合金。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20120718 |