[发明专利]一种粉末冶金钛合金的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种合金的制备方法，具体涉及一种粉末冶金钛合金的制备方法。

背景技术

钛及钛合金因其密度小，比强度高，耐腐蚀性能、高温力学性能、抗疲劳和蠕变性能好等特点，近年来，在航空航天飞行器、舰艇及兵器等军品制造中得到了广泛应用，在汽车、化工和能源等行业也有着巨大的应用潜力，在生物医用领域，钛无毒、质轻、耐腐蚀与强度高且具有优良的生物相容性，可用作人体的植入物和手术器械等。

目前钛及钛合金的制备方主要是通过铸造等常用的塑性加工方法，以及粉末冶金方法。由于铸造容易引起材料的成分偏析、疏松、缩孔等缺陷，使得难以得到高性能的材料。而钛及钛合金的室温塑性低、变形极限低、变形抗力大、室温成型容易开裂，因此，目前大部分钛合金仍需要在高温下进行塑性成型，但是这也大大增加了钛合金的加工成本。钛合金的粉末冶金技术虽然能够克服前两种方法的缺点，兼有两者的优点。但是常用的钛合金粉末冶金方法，由于烧结温度高，烧结时间较长，钛合金材料晶粒容易长大，从而也难以得到较高性能的钛合金。

最初，氢被视为一种金属中有害的杂质元素。然而，1959年，原西德的两位学者Schleicher和Zwiecker在钛合金Ti₈Al，Ti₁₀Al和Ti₁₃Al等钛合金铸锭中加入适量的氢，研究其热压力加工性能时发现钛合金的热加工性能得到明显改善，从而提出了氢原子增加钛合金热塑性的观点，并通过实验验证了这种观点。1980年Kerr发表了“Hydrogen as an alloying element in titanium”一文，提出临时合金元素的概念，把氢作为临时合金元素，来改变钛合金的微观组织和力学性能。之后钛合金的置氢处理技术开始被广泛研究。

钛合金置氢方法主要有液态置氢法和固态置氢法。液态置氢是指在钛熔化的过程中将氢引入钛合金熔体中的一种置氢方法，该方法主要通过控制氢压来控制氢在钛合金中的含量，而熔融状态的钛合金温度较高，从而钛合金中的氢含量是极少的，对熔融状态的钛合金性能影响也是极小的。钛合金固态置氢法是指将钛合金试样处于高温的氢气氛中，使氢扩散进入钛合金的方法，置氢过程中钛合金试样始终处于固态，该方法主要缺点是由于是钛合金是固态，从而对于厚度尺寸较大的钛合金材料渗氢时间较长，很难使氢在钛合金内部分部均匀。而上述两种方法中用到的均为气态氢，操作极不安全。氢元素对钛合金晶粒的细化作用已有许多学者进行过研究，但其对烧结钛合金晶粒度及组织的影响很少被提及。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种操作简单、低成本、能有效提高钛合金性能的粉末冶金钛合金的制备工艺。

本发明的技术方案为：一种粉末冶金钛合金的制备方法，包括下述的步骤：

以TiH₂粉、Ti粉和其他合金元素为原料，混合均匀并压制成型，其中TiH₂的加入量占原料总质量的3～25％；在高真空环境下加热使得TiH₂分解，保持在氢气气氛烧结；然后降温到750～1000℃，抽真空除氢；最后，冷却后得到粉末冶金钛合金产品。

所述其他合金元素为包含钛合金β稳定元素的金属粉末。例如，所述包含钛合金β稳定元素的金属粉末为具有V、Fe、Mo、Nb、Ta、Ni和Mn中一种或多种元素的金属粉末。在本发明一个具体实施例中，制备的目标合金为钛六铝四钒钛合金。

优选的，TiH₂的加入量占原料总质量的4.5～22.5％。

优选的，降温到750～900℃，抽真空除氢。

进一步的，压制成型时采用聚乙二醇的乙醇溶液作为脱模剂。

所述高真空环境和抽真空是指真空度低于1×10^-3Pa。

进一步的改进，烧结装炉时，生坯置于舟内，在舟两侧放一定量的纯钛粉，用于吸附残留的空气，将装有试样的舟放入烧结炉中，并在舟两侧各放置一个多孔炉塞。

在一个优选的实施例中，烧结工艺包括：抽真空的同时，先升至120～160℃，除去炉内杂质和水气；之后加热到250～350℃，保持10～30min；停止抽真空，然后加热到600～800℃，保持1～2h，使使氢化钛分解反应平衡；再之后加热到1000～1250℃烧结，保持1～3h。

优选的，以1.5～2.5℃/min的速度加热到600～800℃，以4～6℃/min的速度加热到1000～1250℃。