一种双尺度钛合金材料的制备方法与流程

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种双尺度钛合金材料的制备方法。

背景技术：

钛及钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高、生物相容性好等特点而被广泛应用于航空航天、工程机械、生物医疗等领域。随着行业的发展，对钛合金材料综合力学性能的要求也越来越高。细晶强化法作为一种有效的强韧化方法，可以使钛及钛合金的强度和硬度均显著提高，然而在常温、较大应变速率条件(＞10^-2s^-1)下，细晶钛及钛合金的塑性却普遍低于常规粗晶态材料。多尺度结构材料是由一定百分比的细晶与粗晶组织所组成的。多尺度结构材料在发生变形的过程中，粗晶晶粒内会产生大量的位错，增强材料的加工硬化能力，使材料发生很小的变形时不会发生断裂，保持了材料的变形稳定性，因此具有比单一尺度细晶材料更好的塑性，具备更加优异的综合力学性能。

获得多尺度结构钛合金材料的方法主要分为大塑性变形法、粉末冶金法和电解沉积法等，大塑性变形法即对大块粗晶材料进行晶粒细化，主要包括等通道转角挤压(ecap)、高压扭转(hpt)、温轧等。大塑性变形法由于需要采取二次变形、热处理等手段，不易控制成型构件的外形精度、尺寸精度、形位精度和表面粗糙度；电解沉积法在材料制备效率和尺寸方面受到工艺本身的限制，且容易引入杂质。粉末冶金法是预先将粗晶钛合金粉末与细晶钛合金粉末制成混合粉体，而后经成型烧结，制成钛合金材料，其特点是可以实现在较低温度下烧结，最大限度地减少合金成分偏聚，消除粗大、不均匀的铸造组织，生产普通熔炼无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品，实现近净成形。但目前采用的传统方法所需制备时间较长，制备的制品的晶粒尺寸不易控制，致密度较低、孔隙率较高、性能较低，通常只能用于制备坯料。

技术实现要素：

本发明目的在于针对现有的钛合金材料以及粉末冶金制备高性能钛合金材料的技术不足和缺陷，提供一种过程和结构可控、能有效提高钛合金材料致密度和力学性能的制备方法，使钛合金材料接近或超过现有传统方法所生产的制品。

为达到上述目的，采用技术方案如下：

双尺度钛合金材料的制备方法，包括以下步骤：

将原料钛合金粉末进行低温球磨，得到细晶钛合金粉末；将细晶钛合金粉末与原料钛合金粉末混合配料，所得混合粉末中细晶钛合金粉末占5～95wt％；

将混合粉末装在预先制好的石墨模具内进行脱气，脱气后将混合粉末依次进行表面活化和放电等离子活化烧结(pas)，得到双尺度钛合金材料。

按上述方案，所述原料钛合金粉末为tc4钛合金粉末，纯度≥99.9wt％，粉末粒径为15～45μm。

按上述方案，所述低温球磨在低温球磨设备中进行，球料比为30:1，低温球磨介质为液态n2，转速为600r/min，球磨时间为4～5h。

按上述方案，所述配料在行星球磨机中进行，球料比为1:1，混料介质为ar气，转速为300r/min，混料时间为2h。

按上述方案，所述脱气在真空烧结炉中进行，升温速率10℃/min，真空度≤8×10^-3，脱气温度为350℃，保温时间为10h。

按上述方案，所述表面活化在等离子活化烧结炉中进行，加载时间为30s，电压为20kv，电流为100a。

按上述方案，所述放电等离子活化烧结在放电等离子活化烧结炉中进行，升温速率为100℃/min，真空度≤10pa，烧结时施加的压力为20mpa，烧结温度为890～920℃，保温时间为1～3min。

本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：

运用本发明所述方法制备双尺度结构材料，可以实现近净成形，无需二次变形；

低温球磨过程中，液态n2介质可减轻原料粉磨的冷焊，提供的极低温环境(-196℃)可提高原料粉体的脆性，从而加速粉体的晶粒细化，并在球磨过程中避免粉体与空气接触，减少被氧化程度；

配料过程中，行星球磨机可对低温球磨过程中发生冷焊的粉末进行破碎，并实现粉末的快速均匀混合，ar气气氛可避免粉体被氧化；

表面活化和放电等离子活化烧结过程中，晶粒受脉冲电流加热和垂直单向压力的作用，体扩散和晶粒扩散都得到加强，加快了致密化过程，并且升温速度快、保温时间短，抑制了晶粒的长大，所得到烧结样品致密度高、力学性能好。

本发明生产工艺简明、周期短、结构可控性强，可有效提高钛合金材料的致密度和力学性能；获得的双尺度结双相钛合金材料中，双重尺度晶粒分布均匀，综合力学性能优异，满足大部分工业要求，形成可实现工业应用双尺度钛合金材料的制备方法。

附图说明

图1：本发明的工艺流程图；

图2：实施例1中原料tc4钛合金粉末与细晶tc4钛合金粉末的xrd对比图谱；

图3：实施例3所得双尺度钛合金材料表面bse图谱；

图4：实施例1-5所得双尺度钛合金材料维氏硬度变化趋势图；

图5：实施例3所得双尺度钛合金材料压缩断面粗晶区sem图谱。

图6：实施例3所得双尺度钛合金材料压缩断面细晶区sem图谱。

图7：实施例1-5所得双尺度钛合金材料压缩强度应力与应变曲线。

具体实施方式

以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。

本发明双尺度钛合金材料的制备工艺流程图参照附图1所示。

实施例1

实验细晶粉末的制备工艺为：在低温球磨机上，以液态n2为介质，以600转/分钟的速度球磨4h得到细晶粉末。原料tc4钛合金粉末与低温球磨制备的细晶tc4钛合金粉末的xrd对比图谱如图2所示。

实验双尺度钛合金材料的成分配比为：按质量计，粗晶tc4合金粉末为95％，细晶粉末为5％，在行星球磨机上以300转/分钟的速度球磨2h得到混合粉末，混合料体在真空热压炉中进行脱气处理，升温速率为10℃/min，无压力，升温至350℃保温10h，脱气后在等离子活化烧结炉中进行表面活化，表面活化时间为30s，活化电压为20kv，活化电流为100a，真空度≤10pa，表面活化后快速升温，升温速率为100℃/min，压力为20mpa，升温至920℃保温3min，得到了双尺度钛合金材料。

所得钛合金材料的室温气孔率≤0.11％，密度为4.45g/cm²，硬度值≥326.8hv，压缩屈服强度≥1018.89mpa，压缩强度≥1903.62mpa，应变率≥31.92％。

实施例2

实验细晶粉末的制备工艺为：在低温球磨机上，以液态n2为介质，以600转/分钟的速度球磨4h得到细晶粉末。实验双尺度钛合金材料的成分配比为：按质量计，粗晶tc4合金粉末为75％，细晶粉末为25％，在行星球磨机上以300转/分钟的速度球磨2h得到混合粉末，混合料体在真空热压炉中进行脱气处理，升温速率为10℃/min，无压力，升温至350℃保温10h，脱气后在等离子活化烧结炉中进行表面活化，表面活化时间为30s，活化电压为20kv，活化电流为100a，真空度≤10pa，表面活化后快速升温，升温速率为100℃/min，压力为20mpa，升温至900℃保温3min，得到了双尺度钛合金材料。

所得钛合金材料的室温气孔率≤0.08％，密度为4.47g/cm²，硬度值≥381.28hv，压缩屈服强度≥1199.71mpa，压缩强度≥1954.90mpa，应变率≥21.77％。

实施例3

实验细晶粉末的制备工艺为：在低温球磨机上，以液态n2为介质，以600转/分钟的速度球磨4h得到细晶粉末。实验双尺度钛合金材料的成分配比为：按质量计，粗晶tc4合金粉末为50％，细晶粉末为50％，在行星球磨机上以300转/分钟的速度球磨2h得到混合粉末，混合料体在真空热压炉中进行脱气处理，升温速率为10℃/min，无压力，升温至350℃保温10h，脱气后在等离子活化烧结炉中进行表面活化，表面活化时间为30s，活化电压为20kv，活化电流为100a，真空度≤10pa，表面活化后快速升温，升温速率为100℃/min，压力为20mpa，升温至900℃保温3min，得到了双尺度钛合金材料。

本实施例制得双尺度钛合金材料表面bse图谱见图3所示。

本实施例制得双尺度钛合金材料压缩断面粗晶区sem图谱如图5所示，压缩断面细晶区sem图谱如图6所示。

所得钛合金材料的室温气孔率≤0.8％，密度为4.46g/cm²，硬度值≥418.3hv，压缩屈服强度≥1287.86mpa，压缩强度≥1820.75mpa，应变率≥11.24％。

实施例4

实验细晶粉末的制备工艺为：在低温球磨机上，以液态n2为介质，以600转/分钟的速度球磨5h得到细晶粉末。实验双尺度钛合金材料的成分配比为：按质量计，粗晶tc4合金粉末为25％，细晶粉末为75％，在行星球磨机上以300转/分钟的速度球磨2h得到混合粉末，混合料体在真空热压炉中进行脱气处理，升温速率为10℃/min，无压力，升温至350℃保温10h，脱气后在等离子活化烧结炉中进行表面活化，表面活化时间为30s，活化电压为20kv，活化电流为100a，真空度≤10pa，表面活化后快速升温，升温速率为100℃/min，压力为20mpa，升温至900℃保温3min，得到了双尺度钛合金材料。

所得钛合金材料的室温气孔率≤0.05％，密度为4.48g/cm²，硬度值≥450.44hv，压缩屈服强度≥1544.69mpa，压缩强度≥2001.38mpa，应变率≥7.98％。

实施例5

实验细晶粉末的制备工艺为：在低温球磨机上，以液态n2为介质，以600转/分钟的速度球磨5h得到细晶粉末。实验双尺度钛合金材料的成分配比为：按质量计，粗晶tc4合金粉末为5％，细晶粉末为95％，在行星球磨机上以300转/分钟的速度球磨2h得到混合粉末，混合料体在真空热压炉中进行脱气处理，升温速率为10℃/min，无压力，升温至350℃保温10h，脱气后在等离子活化烧结炉中进行表面活化，表面活化时间为30s，活化电压为20kv，活化电流为100a，真空度≤10pa，表面活化后快速升温，升温速率为100℃/min，压力为20mpa，升温至890℃保温3min，得到了双尺度钛合金材料。

所得钛合金材料的室温气孔率≤0.7％，密度为4.47g/cm²，硬度值≥470.94hv，压缩屈服强度≥1700.19mpa，压缩强度≥2061.44mpa，应变率≥9.34％。

上述实施例中，所述行星球磨机可以采用pm100型行星球磨机。

上述实施例中，原料tc4钛合金粉末与不同质量分数细晶tc4钛合金粉末所得双尺度钛合金材料维氏硬度变化趋势如图4所示。双尺度钛合金材料的维氏硬度随细晶tc4钛合金粉末质量分数的上升而升高。

上述实施例中，原料tc4钛合金粉末与不同质量分数细晶tc4钛合金粉末所得双尺度钛合金材料压缩强度应力与应变曲线如图7所示。双尺度钛合金材料的压缩强度随细晶tc4钛合金粉末质量分数的上升而升高。