氣流磨氫化鈦粉制備超細晶粒鈦及鈦合金的方法

氣流磨氫化鈦粉制備超細晶粒鈦及鈦合金的方法
【專利摘要】本發明屬于粉末冶金【技術領域】，提供了一種氣流磨氫化鈦粉制備超細晶粒鈦及鈦合金的方法。該方法首先使用氣流磨機制備出極細氫化鈦粉或氫化鈦粉與其他粉末的混合粉，再向磨好的粉末中添加少量石蠟做成型劑，將添加了成型劑的粉末壓制成一定形狀的坯樣，將坯樣放入燒結爐中脫脂和燒結；通過控制爐子的升溫速率、爐內的氣氛種類、氣氛壓力和真空度，以及脫脂和燒結的溫度與時間等工藝參數，燒結出相對密度達到95%以上的超細晶燒結制品。再將燒結制品放入熱等靜壓爐中高壓處理后得到全致密超細晶的產品。本發明具有工藝簡單，成本低，適用的鈦合金種類和產品尺寸大小范圍廣，可大批量生產的優點。
【專利說明】氣流磨氫化鈦粉制備超細晶粒鈦及鈦合金的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于粉末冶金【技術領域】，提供了一種超細晶粒鈦合金的制備方法，可以應用在航空航天、化工、船舶、汽車、體育和醫療器械等要求輕質高強度的鈦產品上。
【背景技術】
[0002]鈦及鈦合金應用廣泛，具有密度小，強度高，抗腐蝕性能優異，高溫力學性能、抗疲勞和蠕變性能好的特點。通過細化鈦及鈦合金的晶粒至超細晶粒尺寸(小于5μπι)，可以大幅提高它的力學性能。目前，制備超細晶粒鈦及鈦合金的可行技術包括劇烈塑性變形和置
氫處理。
[0003]劇烈塑性變形技術包括等徑彎曲通道變形，高壓扭轉，多軸鍛造等。例如，王幸運等采用等徑彎曲通道變形制備了超細晶粒工業純鈦，材料的抗拉強度從407MPa提高到791MPa，平均晶粒尺寸約200nm ;Sergueeva等利用高壓扭轉技術得到超細晶Ti_6Al_4V合金，這種材料的抗拉強度達到1500MPa ;Zherebtsov等采用多軸鍛造法制得了超細晶T1-6A1-4V合金，該材料的平均晶粒尺寸為150nm，抗拉強度為1400MPa。該類方法是目前最可行的超細晶鈦合金制備方法，但是存在所制備的樣品大小受限制，道次多，工序復雜，對設備和模具要求高，成本昂貴等不足。
[0004]置氫處理是向鈦合金滲氫，隨著溫度的升高和氫原子的滲入，β相轉變溫度降低，合金的相組成迅速由α+β轉變為β相，同時氫化物沿晶界和晶內形成，真空退火時，隨溫度的降低，發生β — a+TiH2轉變，氫化物分解，基體中大部分過剩的畸變能轉變成單空位。位錯和空位之間的相互作用有利于亞晶形成，進而成為再結晶的核心，去氫時由于基體中發生了廣泛的再結晶，這樣晶粒變得等軸細小，從而得到細晶粒鈦合金。楊揚用氕處理法制備超細晶粒鈦合金，合金的晶粒直徑減小至0.3^0.5 μ m。
[0005]以上二種技術都有各自的不足，劇烈塑性變形技術需要大型擠壓設備和高性能模具，并且工序復雜，能量消耗大，成本很高，生產效率很低；置氫處理技術只能用于部分合金種類的晶粒細化，有一定局限性。

【發明內容】

[0006]針對現有技術的不足，本發明旨在提供一種工藝簡單，生產成本低，適用范圍廣，可規模化生產的制備超細晶粒鈦及鈦合金材料的新方法。該方法對所制備的樣品的體積大小沒有要求，工序少，成本低、產品性能高。
[0007]本發明的技術方案是:
氣流磨氫化鈦粉制備超細晶粒鈦及鈦合金的方法，具體步驟為:
(I)制粉:將原料粉末放入氣流粉碎機破碎，得到D50為0.1 μ π-?Ο μ m的中間粉末；所述原料粉末為氫化鈦粉末或者是氫化鈦粉末與其它粉末的混合物，其中所述其它粉末是指抑制晶體生長的硬質相粉末和/或制備鈦合金所用的金屬粉末；所述氣流粉碎機使用的氣體是IS氣、氮氣和氫氣中的一種或幾種；(2)壓制:將石蠟與可溶解石蠟的有機溶劑混合，得溶劑；將所述中間粉末加入所述溶劑中攪拌均勻，得混合物；將混合物干燥去除有機溶劑，得干燥后的粉末，其中石蠟占干燥后粉末的質量百分含量為0.5%-8%，其余為中間粉末；將所述干燥后的粉末通過模具放在壓力機上進行壓制，壓制壓力為15 MPa~400MPa，壓制完成后得到坯樣；
(3)脫脂:將所述坯樣放入真空燒結爐中以0.5°C /min飛。C /min的升溫速率將坯樣加熱到脫脂溫度100°C ~300°C，在脫脂溫度保溫0.5 h~IOh ;其中當溫度在100°C ^200°C以前，爐內氣壓為真空，真空度為lX10_4~100Pa，當溫度在100°C ~200°C以后，向爐內通純度大于99.9%的脫脂氣體，所述脫脂氣體為氬氣或氫氣，氣體流速為20ml/mirT20L/min ;達到脫脂時間后，停止繼續通入氣體，脫脂結束；
(4)燒結:脫脂結束后，以0.5°C /min~20°C /min的升溫速率將坯樣加熱到燒結溫度6000C~1250°C，升溫階段，爐內充滿氫氣或者氬氣，氫氣或者氬氣的壓力為0.0flOMPa ；當氫化鈦分解完成之后或者溫度達到燒結溫度時，開始對爐內勻速抽真空，爐內壓力勻速下降，經過2 min~60min，真空度達到1X10—4~lOOPa，然后在燒結溫度保溫0.5 h~6h，燒結完畢后，隨爐冷卻至室溫，得到燒結制品；
(5)熱等靜壓:燒結結束后，將燒結制品轉入熱等靜壓爐爐內進行熱等靜壓處理，以2V /min~30°C /min的升溫速率將燒結制品從室溫加熱到處理溫度600°C~1250°C，壓力為50 MPa~300MPa，氣氛為氬氣，在處理溫度下的保溫保壓時間為10mirT200min ;熱等靜壓結束后，隨爐冷卻，得到產品。
[0008]步驟(1)所述氣體優選為氮氣。
[0009]步驟(1)所述抑制晶體生長的硬質相粉末優選為SiC粉末，其中SiC粉末占混合物的質量分數為0.5%-1.5%。
[0010]步驟(2)所述石蠟與有機溶劑的質量比例優選為2:廣1:4，更優選為1:2 ;所述干燥溫度優選為10°c~100°C，更優選為5(T80°C。所述有機溶劑優選為正庚烷。
[0011]步驟(2)中的坯樣壓制模具優選易退模開瓣模具，壓制壓力優選為3(T90MPa。
[0012]本申請如果是制備鈦合金，則需要添加其他金屬粉末，可以在步驟(1)的原料粉末中添加，也可以在步驟(2 )的干燥后的粉末中添加。步驟(2 )在干燥后的粉末中添加制備鈦合金所用的金屬粉末后得到合金粉末，再對合金粉末進行壓制。
[0013]所述金屬粉末添加種類和比例根據所需鈦合金的配比決定，例如，所述金屬粉末為宇乙粉，添加質量為所述合金粉末的0.5%-1%。
[0014]步驟(3)中的升溫速率優選f 3°C /min,脫脂溫度優選15(T250°C，保溫時間優選
4~8h。
[0015]步驟(3)中脫脂氣體優選氫氣，氣體純度優選99.99^99.999%，氣體流量優選50~200ml/mino
[0016]步驟(4)中的升溫速率優選:T5°C /min，氫氣或氬氣壓力優選0.f IMPa，燒結溫度優選60(T950°C，保溫時間優選2~4h。
[0017]步驟(5)中的熱等靜壓處理溫度優選70(T950°C，壓力優選10(T200MPa。
[0018]其中關于燒結步驟:脫脂結束后，如果設備是脫脂-燒結一體設備可繼續升溫開展燒結；如果脫脂和燒結在不同設備上分步進行，則需要等脫脂坯冷卻到室溫后再轉移到燒結設備中開展燒結。以0.5°C /min~20°C /min的升溫速率將坯樣從脫脂溫度加熱到燒結溫度600°C~1250°C，從脫脂溫度升到燒結溫度間的這段時間內，爐內充滿氫氣或者氬氣，氫氣或者氬氣的壓力為0.0f lOMPa，必須嚴格控制爐內氣氛壓力，以免由于氫化鈦分解放氫造成坯樣內外壓力差而產生變形和開裂缺陷；當氫化鈦分解完成之后或者溫度達到燒結溫度時，開始對爐內勻速抽真空，爐內壓力勻速下降，經過2min~60min，爐內氣體壓力降至1X10-4~10(^&，在燒結溫度保溫0.5 h飛h，燒結完畢后，隨爐冷卻至室溫，得燒結制品；氣流磨氫化鈦粉相比球磨粉，具有污染少、活性大的特點，它在常溫時化學性質穩定，低溫燒結時，燒結性能非常好，可以快速致密化，而且晶粒尺寸變化不大，所以用熱壓技術消除其孔隙后，可得到晶粒細小，性能優良的產品。
[0019] 與現有技術相比，本發明的優勢是:
(2)原材料成本低、產品性能好:氫化鈦粉是鈦冶金生產中的中間材料，價格相對較低；氣流磨可以大批量制備極細氫化鈦粉，所得產品性能好。
[0020](2)工藝簡單，生產效率高:不需要大型生產設備，容易實現工業化生產。
[0021 ] ( 3 )適用范圍廣:此方法幾乎可以制備所有超細晶粒鈦合金材料，沒有太多的局限性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0023]圖1是本方法采用的氣流磨極細氫化鈦粉末的電子掃描顯微鏡照片。
[0024]圖2是實例I中的坯樣燒結后的金相顯微照片。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。實施例中所述百分含量均為質量百分含量。
[0026]實施例1
將原料粉末加入石蠟的正庚烷溶液中，原料粉末為氣流磨極細氫化鈦粉，^50=1- 5 μ m,粉末形貌如圖1所示；溶液中石蠟的質量與氫化鈦粉的質量比是3:97，將氫化鈦粉與溶液攪拌均勻后放入干燥箱烘干使正庚烷揮發，干燥箱溫度為60°C，將干燥后的粉末，裝入易退開瓣模具進行壓制，壓制壓力為72MPa，保壓時間60s ;將壓制好的坯樣放入燒結爐中，用高真空系統對安裝好的爐子抽真空，坯樣處于真空環境中；開始以3°C /min的升溫速率將坯樣從室溫加熱到150°C，爐溫達到150°C時，繼續以2°C /min的升溫速率將坯樣加熱到250 0C ;爐溫達到150°C的同時，開始向爐內通入純度為99.999%的流動氬氣，氣體流速為25ml/min，爐內氣壓為一個大氣壓；爐子溫度達到250°C時，開始在這個溫度保溫5h，保溫結束后，停止繼續通入氬氣，繼續以3°C /min的升溫速率將坯樣加熱到950°C ;爐子溫度在150°C到800°C之間時，爐內的氣壓始終為一個大氣壓，爐子溫度達到800°C時，開始用高真空系統對爐子抽真空，爐內氣壓在30min內勻速下降至IOPa以下；爐子溫度達到950°C時，開始在這個溫度保溫2h，燒結結束后，坯樣隨爐冷卻至室溫，保溫階段及溫度下降至500°C之前，持續對爐子抽真空，真空度達到IXlO-4Pa;爐子冷卻后，將坯樣轉入熱等靜壓爐中，以10°C /min的升溫速率將坯樣從室溫加熱到800°C，坯樣在800°C保溫lh，爐內氣壓為lOOMPa，氣體為氬氣。圖2顯示了坯樣最終的晶粒情況。坯樣的最終成分是純鈦，平均晶粒尺寸是4.8 μ m，抗拉強度為717MPa。
[0027]實施例2
將原料粉末加入石蠟的正庚烷溶液中，原料粉末為氣流磨極細氫化鈦粉，^50=1- 5 μ m,粉末形貌如圖1所示；溶液中石蠟的質量與氫化鈦粉的質量比是3:97，將氫化鈦粉與溶液攪拌均勻后放入干燥箱烘干使正庚烷揮發，干燥箱溫度為60°C ;向干燥后的粉末中加入少量宇乙粉并充分混合，乾粉的^0=8.5 μ m,乾粉質量占混合粉的0.8% ;將混合后的粉末裝入易退開瓣模具進行壓制，壓制壓力為150MPa，保壓時間IOs ;將壓制好的坯樣放入燒結爐中，用高真空系統對安裝好的爐子抽真空，坯樣處于真空環境中；開始以4°C /min的升溫速率將坯樣從室溫加熱到150°C，爐溫達到150°C時，繼續以3°C /min的升溫速率將坯樣加熱到2500C ;爐溫達到150°C的同時，開始向爐內通入純度為99.999%的流動氬氣，氣體流速為100ml/min，爐內氣壓為 一個大氣壓；爐子溫度達到250°C時，開始在這個溫度保溫8h，保溫結束時，停止繼續通入氬氣，繼續以5°C /min的升溫速率將坯樣加熱到950°C ;爐子溫度在250°C到800°C之間時，爐內的氣壓始終為一個大氣壓，爐子溫度達到800°C時，開始用高真空系統對爐子抽真空，爐內氣壓在IOmin內勻速下降至IOPa以下；爐子溫度達到950°C時，開始在這個溫度保溫3h，燒結結束后，坯樣隨爐冷卻至室溫，保溫階段及溫度下降至500°C之前，持續對爐子抽真空，真空度達到lX10_4Pa，；爐子冷卻后，將坯樣轉入熱等靜壓爐中，以30°C /min的升溫速率將坯樣從室溫加熱到800°C，坯樣在800°C保溫lh，爐內氣壓為IOOMPa,氣體為氬氣。坯樣的最終成分是含有0.8%釔元素的鈦合金，抗拉強度為894MPa。
[0028]實施例3
在j5(l=30 μ m的氫化鈦粉中加入少量^5tl=IO μ m的SiC粉末，SiC占混合粉末的質量分數為1% ;將混合后的粉末加入氣流磨機中破碎，破碎后粉末的久0=1.5 μ m，將混合粉末加入石蠟的正庚烷溶液中；溶液中石蠟的質量與混合粉的質量比是5:95，將粉末與溶液攪拌均勻后放入干燥箱烘干使正庚烷揮發，干燥箱溫度為50°C，將干燥后的粉末，裝入易退開瓣模具進行壓制，壓制壓力為200MPa，保壓時間20s ;將壓制好的坯樣放入燒結爐中，用高真空系統對安裝好的爐子抽真空，坯樣處于真空環境中；開始以3°C /min的升溫速率將坯樣從室溫加熱到250°C ;爐溫達到150°C時，開始向爐內通入純度為99.999%的流動氬氣，氣體流速為50ml/min，爐內氣壓為一個大氣壓；爐子溫度達到250°C時，開始在這個溫度保溫5h，保溫結束時，停止繼續通入氬氣，繼續以4°C /min的升溫速率將坯樣加熱到950°C ;爐子溫度在250°C到800°C之間時，爐內的氣壓始終為一個大氣壓，爐子溫度達到800°C時，開始用高真空系統對爐子抽真空，爐內氣壓在5min內勻速下降至IOPa以下；爐子溫度達到950°C時，開始在這個溫度保溫4h，燒結結束后，坯樣隨爐冷卻至室溫，保溫階段及溫度下降至500°C之前，持續對爐子抽真空，真空度達到IXlO-4Pa ;爐子冷卻后，將坯樣轉入熱等靜壓爐中，以10°C /min的升溫速率將坯樣從室溫加熱到850°C，坯樣在850°C保溫30min，爐內氣壓為200MPa，氣體為氬氣。坯樣的最終平均晶粒尺寸是4 μ m，抗拉強度為774MPa。
【權利要求】
1.氣流磨氫化鈦粉制備超細晶粒鈦及鈦合金的方法，其特征是，具體步驟為: (1)制粉:將原料粉末放入氣流粉碎機破碎，得到D50為0.1 μm-10μ m的中間粉末；所述原料粉末為氫化鈦粉末或者是氫化鈦粉末與其它粉末的混合物，其中所述其它粉末是指抑制晶體生長的硬質相粉末和/或制備鈦合金所用的金屬粉末；所述氣流粉碎機使用的氣體是IS氣、氮氣和氫氣中的一種或幾種； (2)壓制:將石蠟與可溶解石蠟的有機溶劑混合，得溶劑；將所述中間粉末加入所述溶劑中攪拌均勻，得混合物；將混合物干燥去除有機溶劑，得干燥后的粉末，其中石蠟占干燥后粉末的質量百分含量為0.5%-8%，其余為中間粉末；將所述干燥后的粉末通過模具放在壓力機上進行壓制，壓制壓力為15 MPa~400MPa，壓制完成后得到坯樣； (3)脫脂:將所述坯樣放入真空燒結爐中以0.5°C /min飛。C /min的升溫速率將坯樣加熱到脫脂溫度100°C ~300°C，在脫脂溫度保溫0.5 h~IOh ;其中當溫度在100°C ^200°C以前，爐內氣壓為真空，真空度為lX10_4~100Pa，當溫度在100°C ~200°C以后，向爐內通純度大于99.9%的脫脂氣體，所述脫脂氣體為氬氣或氫氣，氣體流速為20ml/mirT20L/min ;達到脫脂時間后，停止繼續通入氣體，脫脂結束； (4)燒結:脫脂結束后，以0.5°C /min~20°C /min的升溫速率將坯樣加熱到燒結溫度6000C~1250°C，升溫階段，爐內充滿氫氣或者氬氣，氫氣或者氬氣的壓力為0.0flOMPa ;當氫化鈦分解完成之后或者溫度達到燒結溫度時，開始對爐內勻速抽真空，爐內壓力勻速下降，經過2 min~60min，真空度達到1X10—4~lOOPa，然后在燒結溫度保溫0.5 h~6h，燒結完畢后，隨爐冷卻至室溫，得到燒結制品； (5)熱等靜壓:燒結結 束后，將燒結制品轉入熱等靜壓爐爐內進行熱等靜壓處理，以2V /min~30°C /min的升溫速率將燒結制品從室溫加熱到處理溫度600°C~1250°C，壓力為50 MPa~300MPa，氣氛為氬氣，在處理溫度下的保溫保壓時間為10mirT200min ;熱等靜壓結束后，隨爐冷卻，得到產品。
2.根據權利要求1所述氣流磨氫化鈦粉制備超細晶粒鈦及鈦合金的方法，其特征是，步驟(1)所述氣體為氮氣。
3.根據權利要求1所述氣流磨氫化鈦粉制備超細晶粒鈦及鈦合金的方法，其特征是，步驟(1)所述抑制晶體生長的硬質相粉末為SiC粉末，其中SiC粉末占混合物的質量分數為 0.5%-1.5%O
4.根據權利要求1所述氣流磨氫化鈦粉制備超細晶粒鈦及鈦合金的方法，其特征是，步驟(2)所述石蠟與有機溶劑的質量比例為2: f 1:4，所述干燥溫度為ΙΟΠΟΟ?，所述有機溶劑為正庚烷。
5.根據權利要求1所述氣流磨氫化鈦粉制備超細晶粒鈦及鈦合金的方法，其特征是，步驟(2)在干燥后的粉末中添加制備鈦合金所用的金屬粉末后得到合金粉末，再對合金粉末進行壓制，所述金屬粉末添加種類和比例根據所需鈦合金的配比決定。
6.根據權利要求1所述氣流磨氫化鈦粉制備超細晶粒鈦及鈦合金的方法，其特征是，步驟(2)所述壓制壓力為3(T90MPa。
7.根據權利要求1所述氣流磨氫化鈦粉制備超細晶粒鈦及鈦合金的方法，其特征是，步驟(3)中脫脂氣體為氫氣，氣體純度為99.99~99.999%，氣體流量為50 ml/min~200ml/min。
8.根據權利要求1所述氣流磨氫化鈦粉制備超細晶粒鈦及鈦合金的方法，其特征是，步驟(4)中的升溫速率為3°C/min~5°C/min，氫氣或氬氣的壓力為0.1 MPa~IMPa，燒結溫度為600°C~950°C，保溫時間為2~4h。
9.根據權利要求1所述氣流磨氫化鈦粉制備超細晶粒鈦及鈦合金的方法，其特征是，步驟(4 )爐內達到燒結溫度后，爐內氣壓一直為真空。
10.根據權利要求1-9之一所述氣流磨氫化鈦粉制備超細晶粒鈦及鈦合金的方法，其特征是，步驟(5)中的 處理溫度為700°C~950°C，壓力為100 MPa~200MPa。
【文檔編號】C22C1/04GK103938005SQ201410193333
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月9日 優先權日:2014年5月9日
【發明者】肖平安, 曹杰義, 張霞, 李晨坤, 肖雨桐 申請人:湖南大學