[发明专利]一种抗脆化钛合金及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及钛合金加工领域，尤其涉及一种抗脆化钛合金及其制造方法。

背景技术

钛合金具有比强度高，中温性能好和延伸率高等显著优点，是现代工业中应用越来越广的金属材料。

根据相关研究，氧、氮、碳和氢是钛合金的主要杂质。钛的化学活性大，与大气中O、N、H、CO、CO₂、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应，氧和氮使钛合金塑性下降；氢在α相中溶解度很小，钛合金中溶解过多的氢会产生氢化物，使合金变脆；含碳量大于0.2％时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与N作用也会形成TiN硬质表层；在600℃以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1-0.15mm，硬化程度为20％～30％，极大地影响了钛合金的使用性能。这四种污染元素在现有技术中仅有氢在钛中的溶解是可逆的，可以用真空退火部分消除，而且现有技术中，没有本身纯净度高、致密性好、抗脆化的钛合金。

因此，市面上急需一种纯净度高、致密性好、表面具有网格状氧化钛结构、本质抗脆化、表面还固定有防护膜层的抗脆化钛合金及其制造方法。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明旨在提供一种纯净度高、致密性好、表面具有网格状氧化钛结构、本质抗脆化、表面还固定有防护膜层的抗脆化钛合金及其制造方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种抗脆化钛合金的制造方法，包括以下步骤：

1)生产前准备

①原材料准备：按重量份准备C系钛合金锭100份；

②改性材料准备：准备足量高纯氩气、足量高纯氧气、足量喷丸用陶瓷丸；

③工装及设备准备：氧化铝陶瓷坩埚、设置有电磁搅拌装置及循环水冷却装置的真空底加热熔炼炉、与真空底加热熔炼炉炉腔顶部循环水冷却装置匹配且内置循环水通路的氧化铝陶瓷收集皿、热等静压炉、钛合金铸造模具、真空磁控离子注入设备；

2)钛合金准备

①将阶段1)中步骤①准备的C系钛合金锭表面采用0.5MPa、0.1A的陶瓷丸喷丸工艺处理，获得表面活化洁净钛合金；

3)改性

①将阶段2)获得的表面活化洁净钛合金盛放在氧化铝陶瓷坩埚中，然后将氧化铝陶瓷坩埚放入真空底加热熔炼炉；

②将氧化铝陶瓷收集皿安装在真空底加热熔炼炉炉腔的顶部并与循环水冷却装置匹配；

③抽真空至1×10^-2Pa-1×10^-3Pa，然后通过底加热将氧化铝陶瓷坩埚加热至1820℃-1850℃，到温后开启电磁搅拌，停止抽真空的机械泵运转，维持罗茨泵运转，控制真空度在1×10^-1Pa-5×10^-1Pa；

④到温后3min-5min开启循环水冷却装置，升腾的合金蒸汽被收集在氧化铝陶瓷收集皿中，以固体颗粒形式堆聚，至蒸汽完全消失后关闭所有设备，然后采用5bar-6bar的气压通入高纯氩气，至炉温冷却至室温时开炉取出氧化铝陶瓷坩埚，然后将氧化铝陶瓷收集皿置于原氧化铝陶瓷坩埚放置区域；

⑤在炉内填充满高纯氩气，将步骤④摆放的氧化铝陶瓷收集皿通过底加热加热至1820℃-1850℃，至其内合金完全熔化，获得纯净熔池；

⑥将步骤⑤获得的纯净熔池在保护气氛氩气的保护下浇涛至钛合金铸造模具中，冷却后脱模，获得预制备钛合金锭；

⑦将步骤⑥获得的预制备钛合金零件采用热等静压炉，以100MPa-120MPa的压力进行热等静压处理，完成后即获得致密钛合金锭；

⑧将步骤⑦获得的致密钛合金铸件放入真空磁控离子注入设备，抽真空至1×10^-2Pa-1×10^-3Pa后，以致密钛合金铸件为阴极，以1)中步骤②准备的纯铝粉为阳极原料，在阳极原料喷射时混以1mol/m³浓度1)中步骤②准备的高纯氧气进行离子注入，即获得所需抗脆化钛合金。

采用上述方法制造的抗脆化钛合金，其特征在于：该钛合金以C系钛合金为原本质体，经真空蒸发-凝固处理后再次在氩气保护下熔炼烧结，然后速冷凝固后又经热等静压处理，最后经真空下磁控离子注入和微氧喷射而获得。