一种利用金属吸氢膨胀促进金属坯体致密化的方法与流程

本发明涉及一种金属、合金、金属基复合材料的致密化方法；特别涉及一种利用金属氢化膨胀效应提高金属坯体致密度的方法。

背景技术：

在金属材料加工过程中，材料内部常常会产生一定的孔隙。铸造合金中往往存在缩孔、气孔等。对于粉末冶金材料而言，许多材料体系的烧结坯体存在残余孔隙。据报道，增材制造的金属材料，由于原料和工艺的影响会有微小孔隙存在。金属焊接的过程中，焊缝处产生的微孔或气泡是严重的缺陷。此外，在金属复合材料的制备过程中，界面反应可能会导致孔隙产生。金属材料中的孔隙是影响制品性能的主要缺陷之一，直接影响其力学性能，导致材料失效。

传统金属材料(如钢铁、钛合金、铝合金等)中的孔隙缺陷可利用塑性加工方法加以去除。对于有近净成形要求的粉末冶金材料、增材制造金属材料等而言，需要采用高成本的热等静压、热压烧结、放电等离子烧结等技术除去制品中的孔隙缺陷。

热等静压是通过高温和高压气体共同作用的烧结方法，利用高压气体使材料各方向的均衡受力，能够制备组织均匀的全致密材料，但缺点是封装难度大、成本高、效率低。热压烧结是粉料充填入模具内，再从轴向同时加压和加热的一种烧结方法。热压烧结易导致制品的各向异性，生产效率和制品尺寸受限。放电等离子体烧结在热压烧结的基础上增加了脉冲电流，促进烧结致密化，能在很短的时间内完成全致密材料的烧结，缺点是制品尺寸受限，规模化难度大。因此以上技术均存在成本高、效率低、制品尺寸限制等缺点。

技术实现要素：

研究发现：许多金属和合金能在一定条件下与氢气反应，具有存储和释放氢气的功能，被作为储氢功能材料使用。然而，在金属吸氢反应过程中，由于晶格参数变化，会产生明显的体积膨胀。例如：金属钛吸氢完全转化为氢化钛后，体积膨胀可达15％以上。金属吸氢导致的膨胀现象，可产生巨大的应力，在不受外界约束的情况下，严重时会导致块体材料的变形、开裂和粉化。

基于上述发现以及现有技术的不足，本发明提供一种利用金属吸氢膨胀促进金属坯体致密化的方法。

本发明一种利用金属吸氢膨胀促进金属坯体致密化的方法；在装填吸氢膨胀物质或装填吸氢膨胀物质与待致密化材料的刚性密闭模具内通入氢气，利用吸氢膨胀物质的体积膨胀效应对自身和/或待致密化材料进行致密化。作为优选方案，在敞开体系下，所装填的吸氢膨胀物质或装填吸氢膨胀物质与待致密化材料，吸氢后总的体积膨胀至v1；定义刚性密闭模具内腔的体积为v2；则v1必须大于v2。

在体积膨胀足够大的情况下，留有缝隙或不留缝隙均可实现致密化。

本发明一种利用金属吸氢膨胀促进金属坯体致密化的方法；所述吸氢膨胀物质包括具有吸氢能力的金属。

本发明一种利用金属吸氢膨胀促进金属坯体致密化的方法；包括下述步骤；

步骤一

将预致密金属坯件a放入模具内；封装、紧固并预留通气口；得到预处理组件，所述预致密金属坯件a中含有具有吸氢能力的金属；预处理组件中，预致密金属坯件a的外壁与模具内壁接触或致密金属坯件a的外壁与模具内壁间留有缝隙；所述缝隙小于预致密金属坯件a吸氢后的线膨胀；

或

将预致密金属坯件b以及可吸氢金属粉末一起装入模具内；封装、紧固并预留通气口；得到预处理组件；作为优选方案，将预致密金属坯件b以及可吸氢金属粉末一起方入模具内并填满模具内腔；封装、紧固并预留通气口；得到预处理组件；

或

用可吸氢金属粉末装入模具内腔，封装、紧固并预留通气口；得到预处理组件；作为优选方案，用可吸氢金属粉末填满模具内腔，封装、紧固并预留通气口；得到预处理组件

或

在模具内腔的设定位置上为放置待致密的金属粉体；在模具内腔的其他位置上放置可吸氢金属粉末；封装、紧固并预留通气口；得到预处理组件；作为优选方案，在模具内腔的设定位置上为放置待致密的金属粉体；在模具内腔的其他位置上放置可吸氢金属粉末，且致密的金属粉体和吸氢金属粉末填满模具内腔；封装、紧固并预留通气口；得到预处理组件；

所述模具为刚性模具；

步骤二

将步骤一所得预处理组件置于烧结炉内，通入氢气，升温至吸氢温度，保温；得到吸氢后的试样；然后将气氛调整为惰性气氛或真空气氛和/或在脱氢温度下保温，使得吸氢后的试样放氢；得到放氢后的试样；

步骤三

待放氢后的试样冷却后，脱除模具，得到致密化的金属坯件。

本发明一种利用金属吸氢膨胀促进金属坯体致密化的方法；封装后的模具在加热、吸氢过程中模具的各部件保持紧固不会松动。

本发明一种利用金属吸氢膨胀促进金属坯体致密化的方法；具有吸氢能力的金属材料或可吸氢金属粉末完全吸氢后，较吸氢前的体积至少有>5vol％的膨胀。

本发明一种利用金属吸氢膨胀促进金属坯体致密化的方法；加热吸氢过程中具有吸氢能力的金属或可吸氢金属粉末完全吸氢后；体积膨胀比例大于刚性模具内腔的膨胀比例。

本发明一种利用金属吸氢膨胀促进金属坯体致密化的方法；所述模具的材质不与氢气发生反应。

本发明一种利用金属吸氢膨胀促进金属坯体致密化的方法；所述模具的材质优选

为：耐热钢，耐高温不锈钢，高温合金，高温高强陶瓷中的至少一种。

本发明一种利用金属吸氢膨胀促进金属坯体致密化的方法；具有吸氢能力的金属材料或可吸氢金属粉末在吸氢温度下，在氢气分压大于等于可吸氢金属或可吸氢金属粉末的氢平衡分压条件下吸氢；所述吸氢温度由所选用的具有吸氢能力的金属材料和/或可吸氢金属粉末的物理化学属性决定。在工业上应用时，吸氢温度小于等于预致密金属坯件熔点的0.7倍。其最佳选择为：尽可能的实现最大量吸氢。

本发明一种利用金属吸氢膨胀促进金属坯体致密化的方法；所述脱氢温度由所选用的具有吸氢能力的金属材料和/或可吸氢金属粉末的物理属性决定。所述脱氢温度小于预致密金属坯件的熔点。优选为小于等于0.7倍预致密金属坯件的熔点。

本发明一种利用金属吸氢膨胀促进金属坯体致密化的方法；吸氢金属材料吸氢后，能够通过加热升温，或降低氢分压的工艺下将吸收的氢气完全脱除。

本发明一种利用金属吸氢膨胀促进金属坯体致密化的方法；依次重复步骤一、二、三直至得到设定致密度的产品。

本发明一种利用金属吸氢膨胀促进金属坯体致密化的方法；更换吸氢后体积膨胀更大的可吸氢金属粉末，以步骤四所得产品为加工对象，依次重复步骤一、二、三直至得到设定致密度的产品。所述设定致密度的产品包括致密度大于等于99.5％的成品。

本发明一种利用金属吸氢膨胀促进金属坯体致密化的方法；在工业应用时，所述制品可以但不限于：粉末冶金法生产的非全致密烧结坯；鋳造法生产的存在有残余孔隙的金属或合金坯体；增材制造工艺生产的存在内部残余孔隙缺陷的金属或合金产品；需要进行表面致密化处理的多孔金属材料；需要提高致密度或提高结合强度的金属基复合材料。

原理和优势

本发明首次提出了：利用刚性模具将可吸氢的金属块体或粉末约束在封闭的空间内，在吸氢的过程中使膨胀应力施加在具有孔隙的金属制品上，或者吸氢和/或贮氢金属自身。在封闭空间(模具腔体)体积不变或体积变化小于吸氢膨胀体积的情况下，应力导致材料形变和蠕变，内部孔隙减少并闭合。

本专利相比传统粉末冶金致密化技术，或金属塑性加工技术，具有如下优势：

(1)近净成形，可较好保持制品的原有的复杂形状，可用于已加工的复杂金属制品、增材制造制品、粉末冶金烧结制品、粉末注射成型制品的致密化处理。当产品的结构越复杂，精度要求越高时，本发明的优势尤为明显。

(2)生产设备及模具简单，生产成本低、效率高。

(3)工艺处理温度远低于传统粉末致密化处理的温度，可有效抑制致密化过程的晶粒长大，获得细晶、均匀的组织结构，改善制品性能。

附图说明

附图1为本发明工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

在本发明中，封装后的模具；在加热过程中，不会产生部件松动和脱落的情况。

实施例一：

1.将致密度为98％的钛制品(工业纯钛，钛含量>98％)放入不锈钢模具，制品和模具间填充满平均粒径为45微米的钛粉(钛粉的填充体积占模具内腔体积的40％)，将模具封装、紧固。(由于模具模块之间留有间隙；这些间隙就是很好的通气孔)

2.装配好的模具放入氢气炉内，在真空中加热至600摄氏度，通入氢气(氢气的压力1bar)，保持通入氢气并保温10小时。

3.将氢气炉停止通氢气，抽真空(真空度小于10^-3pa)，升高温度至750摄氏度，保持10小时后停炉冷却。

4.打开氢气炉，取出并打开模具，取出致密度大于99.5％的钛合金制品。

对比例一

其他条件均于实施例一一致，不同之处在于，步骤(2)中不通入氢气，而通入氩气；其所得产品的致密度没有明显变化。

实施例二：

1.将致密度为95％的钛合金(钛含量>20％)制品放入不锈钢模具，制品和模具间配合小于0.1毫米，将模具封装、紧固。(由于模具模块之间留有间隙；这些间隙就是很好的通气孔)

2.装配好的模具放入氢气炉内，在真空中加热至600摄氏度，通入氢气(氢气的压力10bar)，保持通入氢气并保温10小时。

3.将氢气炉停止通氢气，抽真空(真空度小于10^-3pa)，升高温度至750摄氏度，保持10小时后停炉冷却。

4.打开氢气炉，取出并打开模具，取出致密度大于99.5％的钛合金制品。

对比例二

其他条件均于实施例二一致，不同之处在于，步骤(2)中不通入氢气，而通入氩气；其所得产品的致密度没有变化。

实施例三：

1.将致密度为95％的铜合金(铜含量>60％)制品放入不锈钢模具，制品和模具间填充平均粒径45微米的钛粉(钛粉的填充体积占模具内腔体积的30％)，将模具封装、紧固(由于模具模块之间留有间隙；这些间隙就是很好的通气孔)。

2.装配好的模具放入氢气炉内，在真空中加热至600摄氏度，通入氢气(氢气的压力1bar)，保持通入氢气并保温10小时。

3.将氢气炉停止通氢气，抽真空(真空度为小于10-3pa)，升高温度至750摄氏度，保持10小时后停炉冷却。

4.打开氢气炉，取出并打开模具，取出致密度大于99％的铜合金制品。

对比例三

其他条件均于实施例三一致，不同之处在于，步骤(2)中不通入氢气，而通入氩气；其所得产品的致密度没有变化。

实施例四：

1.将不锈钢模具内填充满平均粒径小于45微米的钛合金粉(成分：ti-6al-4v)，将模具封装、紧固。(由于模具模块之间留有间隙；这些间隙就是很好的通气孔)

2.装配好的模具放入氢气炉内，在真空中加热至600摄氏度，通入氢气(氢气的压力为1bar)，保持通入氢气并保温10小时。

3.将氢气炉停止通氢气，抽真空(真空度为小于10^-3pa)，升高温度至750摄氏度，保持10小时后停炉冷却。

4.打开氢气炉，取出并打开模具，取出致密度大于80％的钛合金制品。

对比例四

其他条件均于实施例四一致，不同之处在于，步骤(2)中不通入氢气，而通入氩气；其所得产品的致密度没有明显变化。

实施例五：

1.将致密度为95％的铝合金(铝含量>90％)制品放入不锈钢模具放，制品和模具间填充平均粒径60微米的锆镍zrni合金粉(锆镍zrni合金粉的填充体积占模具内腔体积的40％)，将模具密封。

2.装配好的模具放入氢气炉内，在氢气中加热至200摄氏度，保持通入氢气(氢气的压力为1bar)并保温5小时。

3.将氢气炉停止通氢气，抽真空(真空度为小于10^-3pa)，升高温度至300摄氏度，保持1小时后停炉冷却。

4.打开氢气炉，取出并打开模具，取出致密度大于99％的铝合金制品。

对比例五

其他条件均于实施例五一致，不同之处在于，步骤(2)中不通入氢气，而通入氩气；其所得产品的致密度没有变化。