一種利用氫化鈦粉末制備鈦制品的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種制備鈦制品的方法，具體涉及一種利用氫化鈦粉末制備鈦制品的方法，屬于有色金屬加工技術領域。
【背景技術】
[0002]鈦及鈦合金作為一種重要的有色金屬材料，因其密度低，比強度高，耐腐蝕性能、高溫力學性能、抗疲勞和蠕變性能好等特點，近年來，在航空航天飛行器、艦艇及兵器等軍品制造中的應用日益廣泛。此外，鈦在汽車、醫療、化工、能源和日常消費等行業也有著巨大的應用潛力，因此，鈦也被稱為“正在崛起的第三金屬”和“21世紀金屬”。
[0003]然而，由于鈦的化學活性高，冶煉難度大，能耗高，且其冷加工性能較差，從而導致鈦的生產成本較高，限制了其進一步的應用范圍。在鈦的總成本中，加工成本占到最終成品的價格的60%以上，為了降低生產成本，具有近凈成形特點的粉末冶金工藝受到了廣泛的關注。粉末冶金在零部件制造方面具有組織細小均勻、成分可控、節省原料等一系列優點，是制造低成本鈦合金的理想工藝之一。目前用于粉末冶金生產的鈦粉的制備方法主要包括氫化脫氫法(HDH)，等離子旋轉電極法(PREP)和霧化法(GA)。但由于鈦粉具有較高的活性，容易氧化和與其他元素發生反應，因此，目前高純度的鈦粉價格仍然較高。
[0004]近些年來，利用氫化鈦為原料制備鈦制品的研究已經有了一些報道，采用氫化鈦直接制備鈦制品可以減少原料成本，縮減工藝流程，提高燒結致密度。目前的研究主要集中在利用氫化鈦的易碎性制備超細結構鈦制品，利用脫氫后的原位反應制備鈦基復合材料及增強相，利用脫氫過程中氫的排出制備多孔材料等。但是，這些工藝方法所使用的脫氫過程中所需的時間較長，后續加工處理過程中氧等雜質的引入仍是亟需解決的問題。
[0005]目前，工業上用于粉末冶金制備鈦制品的原材料粉末多采用氫化脫氫(Hydrogenat1n Dehydrogenat1n, HDH)的方法獲得(旋轉電極法，霧化法制備的鈦粉成本很高，其用途多局限于實驗室及對成本敏感度較低的行業，不適合工業化生產)，其流程如圖1所示。原料海綿鈦經氫化后脆性變大，容易被機械破碎成細小顆粒，然后通過在高溫下脫氫即可制備出純鈦粉。但是脫氫過程所需要的時間較長，通常為幾小時至十幾小時。此夕卜，由于鈦的化學活性很高，很容易在高溫下與環境中的H、0、C、N等雜質元素發生反應，因此在鈦粉生產過程中對周圍環境的要求嚴苛，高純度的HDH鈦粉成本依舊較高。
[0006]鈦粉在后續加工固結成件的過程不可避免的會與周圍環境中的雜質元素相接觸，從而相互發生反應，降低產品性能(H、0、C、N等元素容易擴散至鈦的晶格間隙中，造成鈦的塑形降低)。目前研究中，利用氫化鈦為原料通過脫氫制備出的鈦制品由于氫以氫氣的形式的析出，容易在材料內部形成孔洞，造成最終產品的致密度較低，多用于制備醫療用多孔材料。鈦的塑形較強，冷加工性能差，后續機械加工困難，使得鈦的零部件成本進一步增加。
【發明內容】
[0007]本發明的所要解決的技術問題是:
[0008]1.如何簡化工藝，降低生產成本，同時減少加工過程中雜質元素的引入對最終產品的影響。
[0009]2.如何快速將氫化鈦中的氫脫除，使材料中的氫含量降低至可接受范圍內。
[0010]3.如何利用氫化鈦為原料制備出具有高致密度的鈦制品。
[0011]為了解決上述技術問題，本發明利用感應加熱的方法將氫化鈦粉末壓坯快速加熱至較高的溫度，進行脫氫處理同時發生燒結，隨后立即進行擠壓，在這個過程中氫化鈦粉末壓坯首先脫氫并燒結轉變成鈦粉末燒結坯，隨后鈦粉末燒結坯在熱擠壓過程中進一步脫氫，致密化，固結與成形，在較短的時間內制成高致密度鈦型材。該工藝縮短了工藝流程，避免了后續加工過程中雜質的引入，最終成功制備出具有高致密度，低氫、氧含量，高力學性能的鈦擠壓棒材和具有其它橫截面形狀的型材。具體技術方案如下:
[0012]一種利用氫化鈦粉末制備鈦制品的方法，包括如下步驟:
[0013](I)制坯:將氫化鈦粉末通過模壓制成坯材；
[0014](2)脫氫:在保護氣氛下對坯材進行加熱，升溫速率維持在50_200°C /分鐘，直至坯材溫度升至900-1200°C，保溫5-20分鐘；
[0015](3)成形:將加熱后的坯材移入擠壓裝置中，在一定的壓強及擠壓比下進行擠壓，使坯材通過具有特定內腔形狀的擠壓模具而成形固結得到鈦制品；
[0016](4)冷卻:擠壓完成后，將鈦制品在10-100°C /分鐘的速度下冷卻至室溫，隨后取出。
[0017]優選地，步驟(2)中采用感應加熱線圈對坯材進行加熱方式。加熱方式根據氫化鈦坯材大小可采用低、中、高頻感應加熱，也可采用具有快速加熱能力的微波加熱或其他加熱方法。
[0018]優選地，步驟(2)中保護氣氛選用氬氣，氬氣中氧含量低于lOOppm。除了氬氣，也可采用其他不與鈦發生反應的惰性氣體進行保護，或在真空條件下進行。
[0019]優選地，步驟(3)中擠壓速率為15mm/s。擠壓方式除了直筒式擠壓，也可采用具有相似作用的等角擠壓(ECAP)、臥式擠壓、熱壓等多種致密化方式。固結方式可采用鍛造、乳制等替代擠壓。
[0020]優選地，步驟(3)中擠壓裝置和擠壓模具溫度保持在450_550°C之間。
[0021]優選地，步驟(3)中壓強在50_300MPa之間，擠壓比在5:1-100:1之間。
[0022]優選地，步驟(3)中擠壓模具形狀根據鈦制品要求確定。
[0023]優選地，步驟(3)加熱及擠壓過程在密封環境中進行，向密封環境中持續通入氬氣，確保密封環境中氧含量不高于lOOppm。密封環境需要方便操作，例如，選用手套箱。
[0024]優選地，制備鈦制品的整個工藝過程不超過30分鐘。
[0025]優選地，冷卻方式為自然冷卻。除此以外，水淬或油淬也可。
[0026]利用上述方法，可向氫化鈦中加入一些增強相制備相應的鈦基復合材料。
[0027]本發明的有益效果是:
[0028]1.原料成本低，采用氫化脫氫的中間產物氫化鈦粉為原料。
[0029]2.脫氫速度快，在30分鐘內氫化鈦中的氫即可基本脫除，氫含量從原始氫化鈦的3.32wt %降低至0.09wt %，圖3為本發明制備的欽制品脫氣BU后XRD物相對比，可以看出氣化鈦已經完全轉變為純鈦。
[0030]3.生產效率高，氫化鈦的脫氫與固結成型過程相結合，簡化了工藝流程，在30分鐘內即可制備出具有高致密度與高力學性能的鈦制品。所得材料的致密度大于99%，且性能比普通鑄錠冶金鈦強度更高，塑性相似。
[0031]4.減少了雜質元素與鈦反應的過程與時間，且最終產品中氧含量相比原材料更低。
[0032]5.工藝流程簡單，具有規模化生產的潛力。
[0033]以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特征和效果。
【附圖說明】
[0034]圖1為現有技術制備欽制品的工藝路線圖；
[0035]圖2為本發明制備鈦制品的工藝路線圖；
[0036]圖3為本發明一個較佳實施例制得鈦制品的X射線衍射圖；
[0037]圖4為本發明一個較佳實施例制得鈦制品的拉伸曲線。
【具體實施方式】
[0038]本發明采用氫化脫氫過程中的中間產物氫化鈦為原料進行粉末冶金鈦件的制備，跳過了氫化鈦脫氫生產純鈦粉末這一步驟，使得原料成本相對于脫氫后的鈦粉大大降低。同時，也避免了脫氫過程中鈦與周圍環境中的雜質元素反應，使得最終產品中雜質元素含量減少。本發明的主要工藝步驟如圖2所示。
[0039]本發明的采用的技術手段與特征如下。
[0040]A.將氫化鈦粉末通過模壓制成粉末壓坯。
[0041]上述步驟A的主要特征與作用如下:
[0042]該步驟制備的壓坯密度應在75% -95%之間，可在室溫至300°C范圍內進行壓制。
[0043]B.利用感應加熱線圈對氫化鈦粉末壓坯在氬氣保護下(氬氣中氧含量低于10ppm)進行加熱，升溫速率維持在50-200°C /分鐘，直至粉末壓坯溫度升900°C -1200°C，并在選定的溫度下保溫5分鐘至20分鐘。
[0044]上述步驟B為本發明的核心步驟之一，其主要特征與作用如下:
[0045]1.采用感應加熱線圈對氫化鈦壓坯進行加熱，其特征是加熱速度快，可快速將氫化鈦壓坯加熱至擠壓溫度，氫化鈦的脫氫效果在高溫下更好，從而加快了脫氫速率(即本發明中的快速脫氫)，同時脫氫時間的減少也降低了脫氫后鈦與環境中雜質元素的反應時間。此步的主要特點是快速加熱，根據樣品的大小可采取低頻、中頻或高頻感應加熱方式，只要加熱速率滿足要求即可。同時，能夠快速升溫的微波加熱也可以作為替代加熱方式。
[0046]2.加熱溫度與保溫時間根據具體情況而定，在越低的溫度下所需的保溫時間越長，以保證氫能夠完全脫除為基本要求。
[0047]3.將氫化鈦的脫氫過程與擠壓前的加熱過程相結合，一是簡化了流程，二是降低了最終材料中的氧含量。