[发明专利]一种氢辅助作用下泡沫钛的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氢辅助作用下泡沫钛的制备方法，尤其涉及一种氢辅助作用下气体捕捉法制备泡沫钛的方法，属于钛及钛合金技术领域。

背景技术

钛及钛合金具有低密度、高比强度、较宽的工作温度范围、良好的耐腐蚀性和生物相容性等优异性能，而多孔泡沫金属具有相对质量轻、比表面积大、力学性能优异、阻尼性能好等特点。多孔泡沫钛融合了钛合金与泡沫金属的特性，能够减轻材料的重量而具有一定的强度，同时还有较高的韧性、耐腐蚀性，这使泡沫钛及其合金具有广阔的应用前景。

目前泡沫钛的制备方法主要有：粉末烧结法、浆料发泡法、气体捕捉法、自蔓延高温合成法等。但对于泡沫钛材料来说，由于其具有较高的熔点和反应活性(易于多数铸模材料发生反应等)，因此，泡沫钛液态成型具有较大的难度。大多数可行的生产方法是以粉末为原料，采用粉末冶金为原理的固态发泡方式以避免液相的产生。其中，气体捕捉法就是利用粉末冶金技术制造出具有小孔分散的含孔材料，且小孔中包含一种高压惰性气体。当这些含孔材料接着被加热时，孔内部高压气体受热膨胀导致孔隙压力增大，孔隙通过周边金属的蠕变而发生膨胀。这种通过气体捕捉法制备的泡沫钛强度高，且可制备形状复杂的泡沫钛三明治结构，其制备过程如图1所示。随着结构轻量化、结构功能一体化要求的发展趋势，将使其在航空航天等领域得到更广泛的应用和研究。

现有的气体捕捉法主要是通过恒温或者利用热循环产生相变超塑性实现蠕变发泡，其孔隙率的理论值一般不会超过50％。在恒温发泡时，孔隙率值约在30％左右，并且需要较高的发泡温度，降低了泡沫钛的力学性能，这在一定程度上影响泡沫钛的应用价值；在相变温度范围内，超塑性有利于结构的膨胀，因此，短时间的热循环处理可以替代长时间的膨胀退火处理。相对于恒温发泡，相变超塑性可以使钛及钛合金更快地膨胀并获得更高的孔隙率，但其工艺相对复杂，制造成本高，在工业生产中比较难以控制，不适合于大批量生产。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种氢辅助作用下泡沫钛的制备方法。该方法在气体捕捉法制备泡沫钛的工艺过程中引入氢气，利用氢致高温塑性来改善泡沫钛的发泡性能，易于实现工业化生产泡沫钛。

为达到上述目的，本发明提供一种氢辅助作用下泡沫钛的制备方法，如图2的工艺流程所示，其包括以下步骤：

(1)预制坯试样的制备：将钛粉装入钢包套中，抽真空后再回填充一定压力的氩气，然后将其封装并放入热等静压炉中进行热等静压，然后将热等静压成型后的预制坯切割成小块，并加工(例如通过铣削加工)成规则长方体形状，得到预制坯试样，该预制坯试样的规格尺寸可以由本领域技术人员根据需要进行调整；

(2)置氢：将预制坯试样放入氢处理炉中对试样充入一定含量的氢；

(3)高温发泡：在真空环境中，对置氢后的试样进行高温发泡，得到泡沫钛粗产物；

(4)除氢：将泡沫钛粗产物放入氢处理炉中进行真空退火，以降低氢含量使其达到标准值，使泡沫钛在使用过程中不发生氢脆，得到所述的泡沫钛。

在上述的制备方法中，优选地，在步骤(1)中，采用高压水切割或电火花线切割等方法将热等静压成型后的预制坯切割成小块。

在上述的制备方法中，优选地，步骤(1)中回填充氩气的压力为0.1MPa-0.6MPa。

在上述的制备方法中，优选地，步骤(1)中的热等静压的温度为920℃-1060℃，压力为50MPa-150MPa，压实时间为2-6h。

在上述的制备方法中，优选地，步骤(2)中在氢处理炉中置氢的温度为600℃-850℃，置氢后的试样中的氢含量为0.05wt％-0.5wt％。充氢的时间可以为几十秒，只要达到所需的氢含量即可，充氢后可以保温2-6h。

在上述的制备方法中，优选地，步骤(3)中的真空环境是在真空热处理炉中，或者是将置氢后的试样封装入真空玻璃管中再放入普通热处理炉中。

在上述的制备方法中，优选地，步骤(3)中的高温发泡的温度为800℃-1020℃，时间为50h以下。

在上述的制备方法中，优选地，步骤(4)中在氢处理炉中进行真空退火除氢的温度为600℃-850℃，时间为2-6h。

本发明提供的氢辅助作用下泡沫钛的制备方法主要具有以下优点：

(1)氢可以改善钛合金的塑性，减小泡沫钛发泡时气体膨胀的阻力，缩短发泡时间，提高发泡效率和孔隙率；

(2)氢作用下制备的泡沫钛孔隙分布更均匀，形貌更规则，且氢能改善钛合金组织，细化晶粒，从而提高了其力学性能；