專利名稱：注射成形制備高鈮鈦鋁合金零部件的方法
技術領域：
本發明屬于高鈮鈦鋁金屬間化合物材料成形技術領域，特別是提供了一種利用粉末注 射成形技術制備復雜形狀和高尺寸精度高鈮鈦鋁合金零部件的方法。
技術背景高Nb-TiAl金屬間化合物材料由于其優異的高溫性能、抗氧化性和抗蠕變性而受到廣 泛關注。經過近十幾年來的研究，在相圖、合金化、抗氧化性和顯微組織與力學性能等方 面取得了一系列重要的進展。高含量難熔金屬Nb元素的加入提高了合金的熔點和有序化 溫度，Nb元素的固溶強化，使其90(TC的屈服強度較普通鈦鋁合金提高約300 500MPa， 高熔點Nb元素加入的同時降低了擴散系數，改善了抗氧化性，并且兼顧了TiAl基合金的 密度小、晶體結構簡單和易于通過組織控制改善性能的優點，因而有可能取代現役的Ni 基高溫合金而成為未來航空、航天領域具有應用潛力的新一代高溫結構材料。但是，高 Nb合金化在提高其高溫強度的同時，導致了合金的熔煉溫度和熱加工溫度提高，也進一 步降低了其室溫和高溫塑性，尤其是室溫塑性比普通TiAl更低，從而增加了合金成形制 備的難度。目前，都是釆用熔煉方法制備高Nb-TiAl合金，然后進行多次熱加工。合金的制備過 程較為復雜，容易出現鑄造缺陷、成分偏析和組織不均勻現象，雖然經多次等溫鍛造的高 Nb-TiAl合金獲得均勻細小的雙態組織，室溫塑性有所提高，但仍難以后續的切削加工成 形，實現復雜形狀和高尺寸精度零部件的制備。也有學者利用放電等離子燒結的方法制備 高Nb-TiAl合金，但也只能制備出塊體形狀的合金，同樣難以實現復雜形狀和高尺寸精度 零部件的制備。粉末注射成形是將合金粉末與大量的有機粘結劑經混煉、注射成形和去掉粘結劑的脫 脂等步驟，最終燒結成致密的產品的過程。該技術繼承了陶瓷粉末注射成形的方法，是傳 統冶金法和塑料注射成形相結合的產物。其最大特點是實現了近凈成形，避免了后序的切 削加工，在制備幾何形狀復雜產品方面，具有明顯的優勢，而制備成本只有傳統成形工藝 20 60%。到目前為止，國內外只有少數幾個學者開展了粉末注射成形技術制備普通TiAl 基合金材料的研究(R. Gerling， F. P. Schimansky. Prospects for metal injectionmoulding using a gamma titanium aluminide based alloy powder. Materials Science and Engineering, 2002, A329-331:45-49; R. Gerling， E. Aust, W. Limberg, M. Pfuff' F. P. Schimansky. Metal injection moulding of gamma titanium aluminide alloy powder-Materials Science and Engineering, 2006， A423, 1-2:262-268)，但對于利用粉末注射 成形制備高Nb-TiAl基合金材料的研究，還沒有相關報道。 發明內容本發明的目的在于提供一種利用粉末注射技術制備高鈮鈦鋁合金材料零部件的方法， 避免后續切削加工成形，實現近凈成形，實現制備復雜形狀和高尺寸精度的高鈮鈦鋁合金 零部件以及較低成本的批量生產。本發明采用注射成形的方法制備成形坯，然后通過脫脂和燒結制備高鈮鈦鋁合金零部件。具體工藝為1、 粘接劑的配制本發明所配制的粘接劑為多聚合物組元石蠟(PW)基粘接劑，以低密度聚乙烯(LDPE)、聚丙烯(PP)作為增塑劑，以硬脂酸(SA)為表面活性劑，各組 元重量百分比為PW: LDPE: PP: SA= (63 68): (18 22): (10 15): (2 5)。將四禾中 組元加入轉矩流變儀或雙螺桿擠出機中進行共混，并達到成分均勻；2、 混煉將所選用的高Nb-TiAl預合金粉末與所配制的粘接劑在開放式煉膠機上混 煉1 1.5小時，混煉溫度為140 150°C,再在雙螺桿混煉擠出機上制粒，使喂料進一步 均勻，粉末裝載量為63 69% (體積百分含量)；3、 注射成形將制粒后所得喂料在注射溫度140 150°C，注射壓力90 100Mpa的 條件下注射，得到復雜形狀的高Nb-TiAl合金預成形坯；4、 脫脂采用溶劑脫脂+后續熱脫脂的兩步脫脂法，首先將預成形坯浸于三氯乙烯中 進行溶劑脫脂10 20小時，脫脂溫度為30 4(TC，脫脂完成后取出坯體在恒溫干燥箱內 烘干，再在管式真空爐中進行熱脫脂，脫脂溫度在30 60(TC之間，時間為6 12小時， 并進一步將脫脂坯加熱至600 100(TC之間進行預燒結1 1. 5小時；5、 燒結將預燒結坯置于真空燒結爐中于1460 1480'C燒結，保溫1 2小時，升 溫速率為6 8°C/min，燒結體經后續精整處理，得到高Nb-TiAl合金零部件。本發明采用的合金粉末成分為Ti-45A1-8.5Nb-0.2W-0.2B-0.02Y (原子百分含量)的 氬氣霧化預合金粉末，粒度為20 60ixm。本發明的優點在于可直接制備出具有復雜形狀和高尺寸精度的高Nb-TiAl合金零部 件，同時，材料組織均勻、致密度高，綜合力學性能較好，可實現批量生產高Nb-TiAl合金零部件，材料利用率高，生產成本低。
具體實施方式
實施例1:原料成分為Ti-45A1-8. 5Nb-0. 2W-0. 2B-0. 02Y(原子百分含量)的氬氣霧化預合金粉， 粒度為20 60um;粘接劑采用為多聚合物組元石蠟基(PW)粘接劑，其各組元重量百分比為PW: LDPE: PP: SA=63: 20: 12: 5，粉末裝載量為65°/o。將粉末與配制好的粘接劑在SK-160型開放式煉膠機上混煉1小時，混煉溫度為145 °C，再在PSJ32型雙螺桿混煉擠出機上制粒，使喂料進一步均勻，制粒后的喂料在注射溫 度150°C，注射壓力lOOMpa的條件下注射，得到復雜形狀的高Nb-TiAl合金預成形坯， 然后將預成形坯浸于三氯乙烯中進行溶劑脫脂10小時，脫脂溫度為35'C，脫脂完成后取 出坯體在恒溫干燥箱內烘干，熱脫脂在管式真空爐中進行，脫脂溫度在30 60(TC之間， 共脫脂12小時，并將脫脂坯加熱至80(TC進行預燒結1小時，最后將預燒結坯置于ZGS150 型真空燒結爐中于148(TC燒結，保溫1小時，升溫速率為6'C/rain，燒結體經后續處理， 即得到相對密度達96%，尺寸精度高達±0.2%和綜合力學性能較好(抗壓強度2560MPa， 壓縮率34%，抗拉強度319MPa，延伸率0.63%)的復雜形狀高Nb-TiAl合金零部件。實施例2:原料成分為Ti-45A1-8. 5Nb-0. 2W-0. 2B-0. 02Y(原子百分含量)的氬氣霧化預合金粉， 粒度為20 60ym;粘接劑采用為多聚合物組元石蠟基(PW)粘接劑，其各組元重量百分比為PW: LDPE: PP: SA=67: 20: 14: 2，粉末裝載量為67%。將粉末與配制好的粘接劑在SK-160型開放式煉膠機上混煉1. 5小時，混煉溫度為140 °C，再在PSJ32型雙螺桿混煉擠出機上制粒，使喂料進一步均勻，制粒后的喂料在注射溫 度140。C，注射壓力90Mpa的條件下注射，得到復雜形狀的高Nb-TiAl合金預成形坯，然 后將預成形坯浸于三氯乙烯中進行溶劑脫脂12小時，脫脂溫度為40'C，脫脂完成后取出 坯體在恒溫干燥箱內烘干，熱脫脂在管式真空爐中進行，脫脂溫度在30 60(TC之間，共 脫脂8小時，并將脫脂坯加熱至IOO(TC進行預燒結1. 5小時，最后將預燒結坯置于ZGS150 型真空燒結爐中于146(TC燒結，保溫1. 5小時，升溫速率為7'C/min，燒結體經后續處理， 即得到相對密度達96%，尺寸精度高達±0.2%和綜合力學性能較好(抗壓強度2210MPa， 壓縮率31%，抗拉強度287MPa，延伸率0.54%)的復雜形狀高Nb-TiAl合金零部件。實施例3:原料:成分為Ti-45A1-8. 5Nb-0. 2W-0. 2B-0. 02Y(原子百分含量)的氬氣霧化預合金粉，粒度為20 60pm;粘接劑采用為多聚合物組元石蠟基(PW)粘接劑，其各組元重量百分 比為PW: LDPE: PP: SA=65: 18: 13: 4，粉末裝載量為66%。將粉末與配制好的粘接劑在SK-160型開放式煉膠機上混煉1小時，混煉溫度為150 'C，再在PSJ32型雙螺桿混煉擠出機上制粒，使喂料進一步均勻，制粒后的喂料在注射溫 度145'C，注射壓力90Mpa的條件下注射，得到復雜形狀的高Nb-TiAl合金預成形坯，然 后將預成形坯浸于三氯乙烯中進行溶劑脫脂14小時，脫脂溫度為35'C,脫脂完成后取出 坯體在恒溫干燥箱內烘干，熱脫脂在管式真空爐中進行，脫脂溫度在30 600。C之間，共 脫脂10小時，并將脫脂坯加熱至60(TC進行預燒結1小時，最后將預燒結坯置于ZGS150 型真空燒結爐中于1470。C燒結，保溫1小時，升溫速率為6'C/min，燒結體經后續處理， 即得到相對密度達96%，尺寸精度高達±0.2%和綜合力學性能較好(抗壓強度2330MPa， 壓縮率32%，抗拉強度294MPa，延伸率0. 56%)的復雜形狀高Nb-TiAl合金零部件。實施例4:原料:成分為Ti-45Al-8. 5Nb-0. 2W-0. 2B_0. 02Y(原子百分含量)的氬氣霧化預合金粉， 粒度為20 60um;粘接劑采用為多聚合物組元石蠟基(PW)粘接劑，其各組元重量百分比為PW: LDPE: PP: SA=66: 17: 15: 3，粉末裝載量為68%。將粉末與配制好的粘接劑在SK-160型開放式煉膠機上混煉1小時，混煉溫度為145 °C，再在PSJ32型雙螺桿混煉擠出機上制粒，使喂料進一步均勻，制粒后的喂料在注射溫 度150°C，注射壓力lOOMpa的條件下注射，得到復雜形狀的高Nb-TiAl合金預成形坯， 然后將預成形坯浸于三氯乙烯中進行溶劑脫脂16小時，脫脂溫度為35。C，脫脂完成后取 出坯體在恒溫干燥箱內烘干，熱脫脂在管式真空爐中進行，脫脂溫度在30 600'C之間， 共脫脂14小時，并將脫脂坯加熱至80(TC進行預燒結1.5小時，最后將預燒結坯置于 ZGS150型真空燒結爐中于1480。C燒結，保溫2小時，升溫速率為8'C/min，燒結體經后 續處理，即得到相對密度達97%，尺寸精度高達±0.2%和綜合力學性能較好(抗壓強度 2350MPa，壓縮率36%，抗拉強度288MPa，延伸率0. 67%)的復雜形狀高Nb-TiAl合金零 部件。
權利要求
1. 一種制備復雜形狀和高尺寸精度高鈮鈦鋁合金零部件的方法，其特征在于，制備工藝為a、粘接劑的配制所配制的粘接劑為多聚合物組元石蠟PW基粘接劑，以低密度聚乙烯LDPE、聚丙烯PP作為增塑劑，以硬脂酸SA為表面活性劑，各組元重量百分比為PW∶LDPE∶PP∶SA＝(63～68)∶(18～22)∶(10～15)∶(2～5)，將四種組元加入轉矩流變儀或雙螺桿擠出機中進行共混，并達到成分均勻；b、混煉將所選用的高Nb-TiAl預合金粉末與所配制的粘接劑按比例在開放式煉膠機上混煉1～1.5小時，混煉溫度為140～150℃，再在雙螺桿混煉擠出機上制粒，使喂料進一步均勻，粉末裝載量按體積百分含量計為63～69％；c、注射成形將制粒后所得喂料在注射溫度140～150℃，注射壓力90～100Mpa的條件下注射，得到復雜形狀的高Nb-TiAl合金預成形坯；d、脫脂采用溶劑脫脂+后續熱脫脂的兩步脫脂法，首先將預成形坯浸于三氯乙烯中進行溶劑脫脂10～20小時，脫脂溫度為30～40℃，脫脂完成后取出坯體在恒溫干燥箱內烘干，再在管式真空爐中進行熱脫脂，脫脂溫度在30～600℃之間，時間為6～12小時，并進一步將脫脂坯加熱至600～1000℃之間進行預燒結1～1.5小時；e、燒結將預燒結坯置于真空燒結爐中于1460～1480℃燒結，保溫1～2小時，升溫速率為6～8℃/min，燒結體經后續精整處理，得到高Nb-TiAl合金零部件。
2、 按照權利要求1所述的方法，其特征在于所選用的高Nb-TiAl預合金粉末成分 以原子百分含量計為Ti-45A1-8. 5Nb-0. 2W-0. 2B_0. 02Y的氬氣霧化預合金粉末，粒度為 20 60um。
全文摘要
一種制備復雜形狀和高尺寸精度高鈮鈦鋁合金零部件的方法，屬于高鈮鈦鋁金屬間化合物材料成形技術領域。工藝是將氬氣霧化高鈮鈦鋁粉末與不同質量配比的石蠟PW，低密度聚乙烯LDPE，聚丙烯PP，硬脂酸SA組成的聚合物粘接劑以63～69％的裝載量混煉、制粒，注射成形，隨后采用溶劑脫脂和真空氣氛中熱脫脂脫除粘接劑，并在600～1000℃進行預燒結，最后在真空氣氛中1460～1480℃進行燒結制得高Nb-TiAl合金零部件。優點在于可直接制備出具有復雜形狀、高尺寸精度和性能優良的高Nb-TiAl合金零部件，實現較低成本高Nb-TiAl合金零部件的批量生產。
文檔編號B22F3/12GK101279367SQ20081011314
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月28日 優先權日2008年5月28日
發明者何新波, 張昊明, 曲選輝, 趙麗明 申請人:北京科技大學