专利名称：一种两相钛合金粉末的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种制备两相钛合金粉末的制备方法。
技术背景工业生产的钛和钛合金粉末主要有以下四种方法①钠还原海绵钛粉。此种粉末产量大，价格便宜，粉末塑性好，宜于冷成形，是生产一般耐蚀制品的主要原料。但 因其含有较高的钠和氯离子，烧结时易污染设备并使材料的焊接性能变坏。②电解钛粉。纯度较钠还原的海绵钛粉高，但电解钛粉的成形性较海绵钛粉末差。③氢化脱氢 钛粉。通过氢化脱氢工艺可获得质量好、粒度细的钛粉及其合金粉末；但是批量小、 价格较贵。④离心雾化钛粉。60年代美国核金属公司首先采用电弧旋转电极法制成 钛的预合金粉末。粉末呈球形。这种合金粉末纯度高、成分均匀、流动性好、装填密 度为理论值的65%。此种粉末只宜采用热成形，可用热等静压工艺制成形状复杂的 零件。电弧旋转电极制粉工艺，由于有一电极为钨棒，粉末中的含钨量达400ppm，故 容易产生钨的污染，会降低材料的疲劳性能。为消除钨的污染，又发展了以电子束或 等离子体为热源的旋转电极和电弧旋转坩埚以及电子束旋转盘等多种离心雾化制粉 工艺。此类粉末是制造钛粉末冶金航空零件的主要原料。这些都是制备钛金属粉末的 方法，很少有方法直接生产钛合金粉末。本发明拟采用快速凝固/机械球磨法制备钛 合金粉末。快速凝固是指通过对合金熔体的快速冷却(》104 106{(/3)或非均质形核被遏制， 使合金在很大冷却速度下，发生高生长速率(》l 100cm/s)凝固。由于凝固过程的快 冷、起始形核过冷度大，生长速率高使得固液界面偏离平衡，因而呈现出一系列与常 规合金不同的组织何结构特征。加速冷却速度何凝固速率所引起的组织及结构特征。 高能球磨是制备各种材料的常，的固态合成方法，机械合金法的大规模工业应用 始于20世纪60年代。机械合金法通过按照一定配比混合纯金属并对其进行球磨得到 合金粉末，其缺点是有的合金体系并不能很好的混合并发生反应，因此不能用此法制 备。
发明内容
本发明根据现有技术中的不足，提供提供一种易实施，可制备颗粒外形规则，表 面平整的钛合金粉末的方法。为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现 一种两相钛合金粉末的制备方法，包括如下步骤A、 将钛合金的铸锭切割为块状，真空密封在衬有CaO坩埚的石英玻璃管内；B、 熔融石英玻璃管中的母合金，再快速冷却即得两相钛合金薄带；C、 将破碎后的钛合金薄带放入球磨机，球磨得到18-23pm的合金粉末，并采用惰 性气体或还原性气体保护，得到钛合金粉末，并进行脱氢处理。其中，所述的钛合金为TC6合金，为Ti6AI2.5Mo2Cra3Sia5Fe两相钛合金。 其中所述的步骤B中，使用线切割机将母合金切割为8~10mmX 3~5mmX 2~4mm 的块状，并利用抛光机打磨掉块体表面的氧化层。其中所述的步骤A中，石英玻璃管真空度为10'^10^Pa。其中所述的步骤B中，采用中频加热设备熔融母合金。其中所述的步骤B中，采用600 900A的输出振荡电流，熔融时间为20 60s， 加热至1800°C 2000°C。其中，所述的步骤B中，合金熔融完全后，向石英管中通入氩气，利用氩气压力 将熔融的钛合金喷射到旋转的水冷铜辊上快速冷却。冷却时，钛合金以非常薄的一层 喷射到铜辊上，可以瞬间从熔融状态冷却到室温， 一般不超过l秒即可冷却。其中，所述的步骤B中，通入氩气，使石英管内的压强为10 20kPa。其中，所述的铜辊转速为600r/min 1000r/min。其中，在所述的步骤B中制备钛合金薄带后，对钛合金薄带进行退火处理，退火 温度为250 350'C，保温时间为0.5 1小时，然后随炉冷却至100 150'C后空冷至 室温。其中所述的步骤C中，选用玛瑙球磨罐和磨球的球磨机，料球比为15 20: 1，球磨时间3h 5h。其中所述的步骤C中，脱氢处理温度为40(TC 50(TC。本发明采用的制备方法是单辊快淬与机械球磨相结合的制备工艺。先通过单辊快 淬快速凝固获得钛合金薄带，再对薄带进行高能球磨，退氢处理获得高性能钛合金粉 末。上述的步骤A中，石英玻璃管中内衬CaO坩埚是为防止熔融钛合金与石英玻璃管
反应，避免引入Si杂质，并且避免熔炼过程中温度过高使玻璃管破裂。石英玻璃管 上端有一带有导管的活塞，通过导管可以对石英玻璃管进行抽真空处理和加保护气氛 处理。在对母合金进行加热前对石英管进行抽真空处理，防止杂质混入合金中，真空 度约为l(T3 l(T4Pa。上述的步骤A中，将母合金切成小块是为了增加合金表面积，利于快速加热溶化。 上述的步骤B中，利用中频感应加热方式，通过调节感应线圈中的电流电压来控 制加热功率，初始加热功率为5kW，待合金发红后逐步增加到20 kW左右，直至合 金完全熔化。合金完全熔化后要持续加热3 5分钟，使熔体在感应电流的作用下充 分搅拌均匀，然后向石英玻璃管中通入氩气，当气压达到10 20kPa时，熔体在气体 压力作用下克服表面张力经石英管下端的喷嘴喷射到下方高速旋转的水冷铜辊表面， 熔体与铜辊表面接触的瞬间迅速凝固并在铜辊转动的离心力作用下以薄带的形式向 前抛射出来，从而获得Ti-Al-Mo-Cr-Si-Fe薄带。上述的步骤B中，由于薄带的形成是通过高温状态下合金材料急速冷却实现的， 晶格畸变以及杂质元素所引起的基体晶格畸变会导致材料内部产生内应力，因而可以 通过后续的退火处理来消除内应力，退火温度在晶化温度以下。本发明中根据材料成 分的热力学性能，将退火工艺定为200 35(TC下保温0. 5 1小时，随炉冷却至100 15(TC后空冷至室温。上述的步骤C中，料球比的选择范围为15-20:1是为了使薄带粉末与钢球充分研 磨，球磨时间为3h-5h是为了防止粉末内应力增大。上述的步骤C中，脱氢处理温度为400。C 50(TC。 本发明的使用简单的中频感应加热单辊快速旋转快速冷却的方法制备钛合金薄 带。由于钛合金活性大，熔点高，因此在采用感应加热的过程中应当适当的延长加热 时间，使钛合金彻底熔化，以保证最终获得的薄带中合金物相与母相保持一致。本发明的有益效果目前技术局限于金属钛(粉)的生产，极少有钛合金粉的制 备。在杂质含量允许的范围内，本发明采用较为直接的方式成功制备钛的合金粉末， 并且制备工艺简单，易于操作。
图1实施例1制备的Ti6-Al2.5-Mo2-Cr。,Si。.5-Fe两相钛合金粉末与母合金的XRD 衍射谱图
如图1所示的实施例1制备的Ti6-Al2.5-Mo2-Cr。.3-Si。.5-Fe两相钛合金粉末的XRD 衍射谱中，可以看出，粉末谱线与母合金谱线基本吻合，说明所得合金粉末基本成分 没有变化。图2实施例1制备的Ti6-Al2.5-Mo2-Cr。.3-Si。.5-Fe两相钛合金粉末的SEM照片 如图2所示的实施例1制备的Ti6-Al2.5-Mo2-Cr。.3-Si。.5-Fe粉末的SEM图中，可以 看出，在低温和中温脱氢后的合金粉末的特征为多角粒状或块装，颗粒外形规则，表 面平整，棱角分明。这说明在脱氢时粉末颗粒间烧结作用很小。另外，从SEM图中可 以看出，粉末粒径为19 ym。
具体实施方式
实施例1将母合金为TC6钛合金切割成大小约8~10mmx3~5mmx2~4mm的立方小块，进行 抛光等表面清洁处理后，封装在带有氧化锆坩埚和喷嘴的石英玻璃管内，抽真空至 10"Pa。用中频感应加热设备对石英管进行加热，中频感应加热设备的输出振荡电流 为600A，初始加热功率为5kW，待合金发红后逐步增加到15kW，熔融时间为20s， 加热到180(TC，合金完全熔化后继续加热5分钟，使合金充分搅拌均匀，然后向石英 管内通入氩气，氩气压强为15kPa，在氩气压力作用下熔体从石英管下端的喷嘴中快 速喷射到高速旋转的铜辊上，铜辊转速800r/min，快速凝固得到宽15mm厚度约为 100pm的薄带。对薄带进行真空去应力退火处理，在300'C下保温一小时，随炉冷却 至IO(TC然后空冷至室温。再将钛合金薄带放入球磨机，采用氩气保护进行球磨，球 料比20: 1，球磨时间3h，随后对粉末于40(TC下进行脱氢处理，得到钛合金粉末。实施例2将母合金为TC6钛合金切割成大小约8~10mmx3~5mmx2~4mm的立方小块，进行 抛光等表面清洁处理后，封装在带有氧化锆坩埚和喷嘴的石英玻璃管内，抽真空至 10'4Pa。用中频感应加热设备对石英管进行加热，中频感应加热设备的输出振荡电流 为800A，初始加热功率为5kW，待合金发红后逐步增加到15kW，熔融时间为40S， 加热到190(TC，合金完全熔化后继续加热5分钟，使合金充分搅拌均匀，然后向石英 管内通入氩气，氩气压强为20kPa，在氩气压力作用下熔体从石英管下端的喷嘴中快 速喷射到高速旋转的铜辊上，铜辊转速1000r/min，快速凝固得到宽15mm厚度约为 8(^m的薄带。对薄带进行真空去应力退火处理，在25(TC下保温半小时后，随炉冷却
至100'C然后空冷至室温。再将钛合金薄带放入球磨机，采用氩气保护进行球磨，球 料比20: 1，球磨时间3h，随后对粉末于45(TC下进行脱氢处理，得到钛合金粉末。 实施例3将母合金为TC6钛合金切割成大小约8~10mmx3~5mmx2~4mm的立方小块，进 行抛光等表面清洁处理后，封装在带有氧化锆坩埚和喷嘴的石英玻璃管内，抽真空至 10—4Pa。用中频感应加热设备对石英管进行加热，中频感应加热设备的输出振荡电流 为900A，初始加热功率为5kW，待合金发红后逐步增加到15kW，熔融时间为50S， 加热到200(TC，合金完全熔化后继续加热5分钟，使合金充分搅拌均匀，然后向石英 管内通入氩气，氩气压强为16kPa，.在氩气压力作用下熔体从石英管下端的喷嘴中快 速喷射到高速旋转的铜辊上，铜辊转速800r/min，快速凝固得到宽15mm厚度约为 100)ini的薄带。对薄带进行真空去应力退火处理，在20(TC下保温一小时后，随炉冷 却至15(TC然后空冷至室温。再将钛合金薄带放入球磨机，采用氩气保护进行球磨， 球料比18: 1，球磨时间5h，随后对粉末进行脱氢处理，脱氢处理45(TC，得到钛合 金粉末。 实施例4将母合金为TC6钛合金切割成大小约8 10mmx3 5mmx2 4mm的立方小块，进 行抛光等表面清洁处理后，封装在带有氧化锆坩埚和喷嘴的石英玻璃管内，抽真空至 10—4Pa。用中频感应加热设备对石英管进行加热，中频感应加热设备的输出振荡电流 为850A，初始加热功率为5kW，待合金发红后逐步增加到15kW，熔融时间为60S, 加热到185(TC，合金完全熔化后继续加热5分钟，使合金充分搅拌均匀，然后向石英 管内通入氩气，氩气压强为HkPa，在氩气压力作用下熔体从石英管下端的喷嘴中快 速喷射到高速旋转的铜辊上，铜辊转速800r/min，快速凝固得到宽15mm厚度约为 100nm的薄带。对薄带进行真空去应力退火处理，在300'C下保温一小时后，随炉冷 却至13(TC然后空冷至室温。再将钛合金薄带放入球磨机，采用氩气保护进行球磨， 球料比17: 1，球磨时间3h，随后对粉末于43(TC下进行脱氢处理，得到钛合金粉末。 实施例5将母合金为TC6钛合金切割成大小约8~10mmx3~5mmx2~4mm的立方小块，进行 抛光等表面清洁处理后，封装在带有氧化锆坩埚和喷嘴的石英玻璃管内，抽真空至 10"Pa。用中频感应加热设备对石英管迸行加热，中频感应加热设备的输出振荡电流 为750A，初始加热功率为5kW，待合金发红后逐步增加到15kW，熔融时间为30S，加热到1950'C,合金完全熔化后继续加热5分钟，使合金充分搅拌均匀，然后向石英 管内通入氩气，氩气压强为18kPa,在氩气压力作用下熔体从石英管下端的喷嘴中快 速喷射到高速旋转的铜辊上，铜辊转速800r/min，快速凝固得到宽15mm厚度约为 lO(Hun的薄带。对薄带进行真空去应力退火处理，在35(TC下保温一小时后，随炉冷 却至120'C然后空冷至室温。再将钛合金薄带放入球磨机，采用氩气保护进行球磨， 球料比20: 1，球磨时间4h,随后对粉末于470'C下进行脱氢处理，得到钛合金粉末。 上述实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域 技术人员可以想到的其他实质等同手段，均在本发明权利要求范围内。
权利要求
1、一种两相钛合金粉末的制备方法，包括如下步骤A、将钛合金的铸锭切割为块状，真空密封在衬有CaO坩埚的石英玻璃管内；B、熔融石英玻璃管中的母合金，再快速冷却即得两相钛合金薄带；C、将破碎后的钛合金薄带放入球磨机，球磨得到18-23μm的合金粉末，并采用惰性气体或还原性气体保护，得到钛合金粉末，并进行脱氢处理。
2、 根据权利要求1所述的两相钛合金粉末的制备方法，其特征在于所述的钛合金为TC6合 金。
3、 根据权利要求1所述的两相钛合金粉末的制备方法，其特征在于所述的步骤B中，使用 线切割机将母合金切割为8 10mmX3 5mmX2 4mm的块状，并利用抛光机打磨掉块体表 面的氧化层。
4、 根据权利要求1所述的两相钛合金粉末的制备方法，其特征在于所述的步骤A中，石英 玻璃管真空度为10tlO^Pa。
5、 根据权利要求1所述的钛合金粉末的制备方法，其特征在于所述的步骤B中，采用中频 加热设备熔融母合金。
6、 根据权利要求5所述的两相钛合金粉末的制备方法，其特征在于所述的步骤B中，采用 600~900A的输出振荡电流，熔融时间为20~60s，加热至1800°C 2000°C。
7、 根据权利要求1所述的两相钛合金粉末的制备方法，其特征在于，所述的步骤B中，合金 熔融完全后，向石英管中通入氩气，利用氩气压力将熔融的钛合金喷射到旋转的水冷铜辊 上快速冷却。
8、 根据权利要求7所述的两相钛合金粉末的制备方法，其特征在于，所述的步骤B中，通入 氩气，使石英管内的压强为10 20kPa。
9、 根据权利要求7所述的两相钛合金粉末的制备方法，其特征在于，所述的铜辊转速为 600r/min 1000r/min。
10、 根据权利要求1所述的两相钛合金粉末的制备方法，其特征在于，在所述的步骤B中 制备钛合金薄带后，对钛合金薄带进行退火处理，退火温度为200 35(TC，保温时间为 0.5 1小时，然后随炉冷却至100 15(TC后空冷至室温。
11、 根据权利要求1所述的两相钛合金粉末的制备方法，其特征在于所述的步骤C中， 选用玛瑙球磨罐和磨球的球磨机，料球比为15 20: 1，球磨时间3h 5h。
12、 根据权利要求1所述的两相钛合金粉末的制备方法，其特征在于所述的步骤C中， 脱氢处理温度为40(TC 500。C。
全文摘要
本发明公开了一种两相钛合金粉末的制备方法，包括如下步骤A.将钛合金的铸锭切割为块状，真空密封在衬有CaO坩埚的石英玻璃管内；B.熔融石英玻璃管中的母合金，再快速冷却即得两相钛合金薄带；C.将破碎后的钛合金薄带放入球磨机，球磨得到18-23μm的合金粉末，并采用惰性气体或还原性气体保护，得到钛合金粉末，并进行脱氢处理。本发明采用较为直接的方式成功制备钛的合金粉末，并且制备工艺简单，易于操作。
文档编号B22F9/04GK101147975SQ200710047499
公开日2008年3月26日 申请日期2007年10月26日 优先权日2007年10月26日
发明者彪 严, 刘星星, 沙 杨 申请人:同济大学