一种制备高致密度钛及钛合金的粉末冶金方法
【专利摘要】本发明公开了一种制备高致密度钛及钛合金制品的粉末冶金方法，包括以下步骤：配料混粉、压制成型、气氛净化、气氛-真空烧结。本发明以钛粉或钛合金混合粉末为原料，压制成形后采用气氛-真空烧结，其中在400~600℃温度段采用气氛烧结，通入氢气和氩气的混合气体，保温2~3个小时，生成TiHx(0＜x≤2)，600~1350℃温度段采用真空烧结，并在1200~1350℃保温4~6个小时，利用氢的扩散解析作用和间隙固溶特性而致钛中的空位浓度和位错增加，增大了钛的表面活性，降低了烧结自由能作用制备致密钛及钛合金。此方法工艺制备的钛及钛合金产品致密度高，工艺路线短，可减少或缩短后续压力加工工序，降低加工成本。本发明克服了传统粉末冶金制备钛及钛合金成本高、致密度低的问题。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明属于钛及钛合金制品的加工【技术领域】，具体涉及一种采用粉末冶金工艺制 备钛及钛合金制品的方法。 一种制备高致密度钛及钛合金的粉末冶金方法
【背景技术】
[0002] 金属钛及其合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、耐热性高、无磁、焊接性能好等 优点，广泛应用于航空航天、汽车、化工、电力、手表、医疗等领域，但由于常规熔炼铸造法工 艺路线长，材料的利用率低，且钛机加工性能差，制备成本高，故钛及钛合金的应用受到了 限制。粉末冶金成为生产钛及钛合金的一种适用可行的新工艺，传统的粉末冶金方法以钛 粉及合金的金属粉末为原料，采用真空烧结或惰性气氛保护制备的钛及钛合金的致密度仅 能达到95%左右，导致制备的钛及钛合金制品力学性能差，一般需要后续热等静压处理方 可提高材料烧结致密度，从而提高材料性能，增加了生产成本。因此，研制开发一种制备高 致密度的钛及钛合金的方法尤为重要。
【发明内容】
[0003] 本发明的在于提供一种制备高致密度钛及钛合金制品的粉末冶金方法。
[0004] 本发明的目的的实现包括以下步骤：配料混粉、压制成型、气氛净化、气氛一真空 烧结，具体为： (1) 配料混粉：根据拟制备的钛及钛合金成分比例，将钛粉和其他添加合金元素粉末在 氩气气氛保护下将粉末混合均匀； (2) 压制成型：将混合配制好的粉末装入模具压制成所需要的制品形状，压制可采用冷 等静压或者模压压制； (3) 气氛净化：将压坯装入气氛烧结炉后，炉内抽真空至真空度小于l(T3Pa，通入氩气， 再抽真空，反复操作3次以上； (4) 气氛-真空烧结：完成炉内气氛净化后，开始气氛烧结，通入氢气和氩气混合气体， 通入炉内氢气和氩气必须是高纯气体，升温至40(T6(KrC，并在此温度下保温2?3h，保温 结束后，关闭气体，打开真空系统，开始真空烧结，升温至120(Tl35(rC，保温时间4~6h，最 后随炉冷却至室温20°C，真空烧结和冷却过程中一直抽真空，在烧结保温阶段，烧结炉的真 空度应< l(T3Pa。
[0005] 本发明以钛粉或钛合金混合粉末为原料，压制成形后采用气氛-真空烧结，其中 在40(T60(TC温度段采用气氛烧结，通入氢气和氩气的混合气体，保温2~3个小时，生成 TiHx (0 < X彡2)，60(Tl350°C温度段采用真空烧结，并在120(Tl35(TC保温4?6个小时，利 用氢的扩散解析作用和间隙固溶特性而致钛中的空位浓度和位错增加，增大了钛的表面活 性，降低了烧结自由能作用制备致密钛及钛合金。此方法工艺制备的钛及钛合金产品致密 度高，工艺路线短，可减少或缩短后续压力加工工序，降低加工成本。本发明克服了传统粉 末冶金制备钛及钛合金成本高、致密度低的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0006] 图1为本发明的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0007] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不得以任何方式对本发明加 以限制，基于本发明教导所作的任何变更或改进，均属于本发明的保护范围。
[0008] 如附图和实施例所示：本发明一种制备高致密度钛及钛合金制品的粉末冶金方 法，包括以下步骤：配料混粉、压制成型、气氛净化、气氛一真空烧结，具体为： (1) 配料混粉：根据拟制备的钛及钛合金成分比例，将钛粉和其他添加合金元素粉末在 氩气气氛保护下将粉末混合均匀； (2) 压制成型：将混合配制好的粉末装入模具压制成所需要的制品形状，压制可采用冷 等静压或者模压压制； (3) 气氛净化：将压坯装入气氛烧结炉后，炉内抽真空至真空度小于l(T3Pa，通入氩气， 再抽真空，反复操作3次以上； (4) 气氛-真空烧结：完成炉内气氛净化后，开始气氛烧结，通入氢气和氩气混合气体， 通入炉内氢气和氩气必须是高纯气体，升温至40(T6(KrC，并在此温度下保温2~3h，保温结 束后，关闭气体，打开真空系统，开始真空烧结，升温至120(Tl35(rC，保温时间4~6h，最后 随炉冷却至室温20°C，真空烧结和冷却过程中一直抽真空，在烧结保温阶段，烧结炉的真空 度应< l(T3Pa。
[0009] 步骤（4)中所述的混合气体，纯度达到99. 999%以上，混合气体中氢气的含量为体 积比13?20%。
[0010] 步骤（4)中，气氛烧结过程中保持炉内压力为1. 1X105~1. 2X105Pa。
[0011] 步骤（1)所述的钛粉平均粒度为< 48 μ m。
[0012] 步骤（1)中，所述的合金元素粉末为A160V40粉末、铌粉末、锆粉中的一种或几种。
[0013] 步骤（1)中所述的其他添加合金元素粉末的平均粒度为< 48 μ m。
[0014] 步骤（2)中的压制压强为300MPa?400Mpa。
[0015] 步骤（4)中气氛-真空烧结过程中升温速率彡5°C /min。
[0016] 实施例1 将48 μ m的钛粉末装入模具中，采用冷等静压在300MPa压力下压制成设计的制品形 状；将压坯装入烧结炉内进行装炉；封闭炉门，将炉内抽真空至真空度小于l(T3Pa，通入氩 气，再抽真空，反复操作3次进行炉内气氛净化；通入纯度为99. 999%以上高纯氢气和高纯 氩气混合气体，混合气体中氢气的含量为体积比20%，同时以5°C /min的升温速率升温至 400°C，并保温3小时。烧结过程中保持炉内压力为1. lX105~1.2X105Pa;保温结束后关闭 气体，打开真空系统，同时以5°C /min的升温速率升温至1200°C，保温时间4小时，然后随 炉冷却到室温20°C，既得目标物金属钛制品，通过检测其致密度为99. 3%。
[0017] 实施例2 将48 μ m的钛粉末装入模具中，采用冷等静压在300MPa压力下压制成设计的制品形 状；将压坯装入烧结炉内进行装炉；封闭炉门，将炉内抽真空至真空度小于l(T3Pa，通入氩 气，再抽真空，反复操作3次进行炉内气氛净化；通入纯度为99. 999%以上高纯氢气和高纯 氩气混合气体，混合气体中氢气的含量为体积比20%，同时以5°C /min的升温速率升温至 600°C，并保温1小时。烧结过程中保持炉内压力为1. 1X105~1. 2X105Pa ;保温结束后关闭 气体，打开真空系统，同时以5°C /min的升温速率升温至1200°C，保温时间4小时，然后随 炉冷却到室温20°C，既得目标物金属钛制品，通过检测其致密度为99. 6%。
[0018] 实施例3 将48 μ m的钛粉末装入模具中，采用冷等静压在300MPa压力下压制成设计的制品形 状；将压坯装入烧结炉内进行装炉；封闭炉门，将炉内抽真空至真空度小于l(T3Pa，通入氩 气，再抽真空，反复操作3次进行炉内气氛净化；通入纯度为99. 999%以上高纯氢气和高纯 氩气混合气体，混合气体中氢气的含量为体积比15%，同时以5°C /min的升温速率升温至 600°C，并保温2小时。烧结过程中保持炉内压力为1. lX105~1.2X105Pa;保温结束后关闭 气体，打开真空系统，同时以5°C /min的升温速率升温至1200°C，保温时间4小时，然后随 炉冷却到室温20°C，既得目标物金属钛制品，通过检测其致密度为99. 2%。
[0019] 实施例4 将分别为30 μ m的钛粉与A160V40粉末按Ti-6A1-4V成分比例配料，在氩气气氛保护 下混合均匀。将混合粉末装入模具中，采用模压在350MPa压力下压制成设计的制品形状； 将压坯装入烧结炉内进行装炉；封闭炉门，将炉内抽真空至真空度小于l(T 3Pa，通入氩气， 再抽真空，反复操作5次进行炉内气氛净化；通入纯度为99. 999%以上高纯氢气和高纯氩气 混合气体，混合气体中氢气的含量为体积比13%，同时以3°C /min的升温速率升温至450°C， 并保温2小时。烧结过程中保持炉内压力为l.lX105~1.2X10 5Pa ;保温结束后关闭气体， 打开真空系统，同时以3°C /min的升温速率升温至1200°C，保温时间6小时，然后随炉冷却 至IJ室温20°C，既得目标物Ti-6A1-4V制品，通过检测其致密度为98. 6%。
[0020] 实施例5 将分别为30 μ m的钛粉与A160V40粉末按Ti-6A1-4V成分比例配料，在氩气气氛保护 下混合均匀。将混合粉末装入模具中，采用模压在350MPa压力下压制成设计的制品形状； 将压坯装入烧结炉内进行装炉；封闭炉门，将炉内抽真空至真空度小于l(T 3Pa，通入氩气， 再抽真空，反复操作5次进行炉内气氛净化；通入纯度为99. 999%以上高纯氢气和高纯氩气 混合气体，混合气体中氢气的含量为体积比13%，同时以3°C /min的升温速率升温至450°C， 并保温2小时。烧结过程中保持炉内压力为l.lX105~1.2X10 5Pa ;保温结束后关闭气体， 打开真空系统，同时以3°C /min的升温速率升温至1250°C，保温时间4小时，然后随炉冷却 至IJ室温20°C，既得目标物Ti-6A1-4V制品，通过检测其致密度为99. 0%。
[0021] 实施例6 将分别为10 μ m的钛粉与铌粉末、锆粉按Ti-13Nb-13Zr成分比例配料，在氩气气氛保 护下混合均匀。将混合粉末装入模具中，采用采用冷等静压在400MPa压力下压制成设计的 制品形状；将压坯装入烧结炉内进行装炉；封闭炉门，将炉内抽真空至真空度小于l(T 3Pa， 通入氩气，再抽真空，反复操作5次进行炉内气氛净化；通入纯度为99. 999%以上高纯氢气 和高纯氩气混合气体，混合气体中氢气的含量为体积比17%，同时以3°C /min的升温速率升 温至500°C，并保温1，5小时。烧结过程中保持炉内压力为1. 1 X 1(Τ 1. 2 X 105Pa ;保温结束 后关闭气体，打开真空系统，同时以3°C /min的升温速率升温至1350°C，保温时间5小时， 然后随炉冷却到室温20°C，既得目标物Ti-13Nb-13Zr制品，通过检测其致密度为99. 2%。
[0022] 实施例7 将分别为20 μ m的钛粉与铌粉末、锆粉按Ti-13Nb-13Zr成分比例配料，在氩气气氛保 护下混合均匀。将混合粉末装入模具中，采用采用冷等静压在400MPa压力下压制成设计的 制品形状；将压坯装入烧结炉内进行装炉；封闭炉门，将炉内抽真空至真空度小于l(T 3Pa， 通入氩气，再抽真空，反复操作5次进行炉内气氛净化；通入纯度为99. 999%以上高纯氢气 和高纯氩气混合气体，混合气体中氢气的含量为体积比17%，同时以3°C /min的升温速率升 温至500°C，并保温2小时。烧结过程中保持炉内压力为1. 1 X 1(Τ 1. 2 X 105Pa ;保温结束后 关闭气体，打开真空系统，同时以3°C /min的升温速率升温至1350°C，保温时间5小时，然 后随炉冷却到室温20°C，既得目标物Ti-13Nb-13Zr制品，通过检测其致密度为99. 3%。
【权利要求】
1. 一种制备高致密度钛及钛合金制品的粉末冶金方法，其特征在于包括以下步骤：配 料混粉、压制成型、气氛净化、气氛-真空烧结，具体为： (1) 配料混粉：根据拟制备的钛及钛合金成分比例，将钛粉及其他添加合金元素粉末， 在氩气气氛保护下将粉末混合均匀； (2) 压制成型；将混合配制好的粉末装入模具压制成所需要的制品形状，压制可采用冷 等静压或者模压压制； (3) 气氛净化；将压坯装入气氛烧结炉后，炉内抽真空至真空度< l(T3Pa，通入氩气，再 抽真空，反复操作3次以上； (4) 气氛-真空烧结：完成炉内气氛净化后，开始气氛烧结，通入氢气和氩气混合气体， 通入炉内氢气和氩气必须是高纯气体，升温至40(T6(KrC，并在此温度下保温2~3h，保温结 束后，关闭气体，打开真空系统，开始真空烧结，升温至120(Tl35(rC，保温时间4~6h，最后 随炉冷却至室温20°C，真空烧结和冷却过程中一直抽真空，在烧结保温阶段，烧结炉的真空 度< l(T3Pa。
2. 根据权利要求1所述的制备高致密度钛及钛合金制品的粉末冶金方法，其特征在 于步骤（4)中所述的混合气体，纯度达到99. 999%以上，混合气体中氢气的含量为体积比 13?20%。
3. 根据权利要求1所述的制备高致密度钛及钛合金制品的粉末冶金方法，其特征在于 步骤（4)中，气氛烧结过程中保持炉内压力为1. 1X105~1. 2X105Pa。
4. 根据权利要求1所述的制备高致密度钛及钛合金制品的粉末冶金方法，其特征在于 步骤（1)中所述的钛粉平均粒度为< 48 μ m。
5. 根据权利要求1所述的制备高致密度钛及钛合金制品的粉末冶金方法，其特征在于 步骤（1)中，所述的合金元素粉末为A160V40粉末、铌粉末、锆粉中的一种或几种。
6. 根据权利要求1所述的制备高致密度钛及钛合金制品的粉末冶金方法，其特征在于 步骤（1)中所述的其他添加合金元素粉末的平均粒度为< 48 μ m。
7. 根据权利要求1所述的制备高致密度钛及钛合金制品的粉末冶金方法，其特征在于 步骤（2)中的压制压强为300MPa?400Mpa。
8. 根据权利要求1所述的制备高致密度钛及钛合金制品的粉末冶金方法，其特征在于 步骤（4)中气氛-真空烧结过程中升温速率彡5°C /min。
【文档编号】C22C14/00GK104087772SQ201410313474
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月3日 优先权日:2014年7月3日
【发明者】尚青亮, 杨钢, 刘捷, 方树铭, 张玮, 孙彦华, 赖非 申请人:昆明冶金研究院