權(quán)利要求

1.提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，其特征在于，包括以下步驟：將鈦合金粉末依次經(jīng)過成型處理、燒結(jié)致密化和熱處理得到鈦合金制品； 所述燒結(jié)態(tài)鈦合金的氧含量為0.3~0.5wt.%； 所述熱處理工藝為真空度為小于等于10 -2Pa，首先以5~10℃/min升溫至β相變點以下50～100℃保溫1～4小時，隨后爐冷到β相變點以下200~300℃，保溫10~30min，最后空冷至室溫； 所述鈦合金制品的延伸率為大于等于15%。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，其特征在于；所述鈦合金粉末由氫化脫氧法、氣霧化法、等離子旋轉(zhuǎn)電極法中的一種制備而得。 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，其特征在于；所述鈦合金粉末的牌號為α+β型雙相鈦合金TC4、TC6、TC8、TC9、TC11、TC15~TC21的中任一一種。 

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，其特征在于；所述成型處理為模壓成形、冷等靜壓、注射成形中任一一種。 

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，其特征在于；所述模壓成形的成型壓力為300~600MPa，保壓時間為30~60min；所述冷等靜壓的成型壓力為300~500MPa，保壓時間為30~50min；所述注射成形的注射溫度為120~150℃、注射壓力為70~130MPa。 

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，其特征在于；所述燒結(jié)處理為真空燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、等離子放電燒結(jié)中任一一種。 

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，其特征在于；所述真空燒結(jié)的真空度為小于等于10 -3Pa，燒結(jié)溫度為1200~1300℃，保溫時間為1~4h；所述熱等靜壓燒結(jié)的保護氣氛為氬氣，燒結(jié)溫度為900~1000℃，保溫時間為0.5~2h，保壓壓力為100~300MPa；所述等離子放電燒結(jié)的的保護氣氛為氬氣，燒結(jié)溫度為900~1000℃，保溫時間為20~40min，保壓壓力為50~150MPa。 8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，其特征在于；所述鈦合金制品的抗拉強度大于等于850MPa，孔隙率小于等于3%。

說明書

提高粉末冶金鈦合金塑性的方法

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種提高鈦合金塑性的方法，尤其涉及提高粉末冶金鈦合金塑性的方法。

背景技術(shù)

鈦及鈦合金密度小、比強度高、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫，是理想的航空航天材料；因其具有良好的耐腐蝕、生物兼容性能，成為航海、石油化工、醫(yī)療等行業(yè)的理想材料，被譽為“現(xiàn)代金屬”、“第三金屬”、“戰(zhàn)略金屬”等。用鍛造法生產(chǎn)鈦合金，其性能優(yōu)良，但工藝復(fù)雜、成材率低、產(chǎn)品成本高且難以獲得形狀復(fù)雜的產(chǎn)品；鑄造法雖可獲得結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件，成本較低，但鑄造過程中的鑄造缺陷導(dǎo)致產(chǎn)品的性能不高；粉末冶金技術(shù)可在較短時間內(nèi)實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的粉末致密化，且性能優(yōu)越，能夠達到鍛件水平，該方法材料利用率超過90%，使得該技術(shù)受到國內(nèi)外航空界的特別關(guān)注。

由于鈦對碳、氮、氧等雜質(zhì)的親和力很強，粉末狀態(tài)下這種親和力會進一步加劇，而雜質(zhì)元素特別是氧嚴重影響燒結(jié)鈦及其合金的致密度和力學(xué)性能。氧在欽中形成間隙固溶體，產(chǎn)生晶格畸變，對在滑移面上運動著的位錯有阻礙作用，從而提高強度。0.05wt.%的氧能使鈦的抗拉強度提高50~60MPa，但超過一定量時將大幅降低其塑性和韌性及沖擊強度，當(dāng)氧含量超過0.3wt.%時，鈦合金的延伸率小于5%，當(dāng)氧含量達到0.5wt.%，延伸率降低到2%以下。這極大阻礙了粉末冶金鈦合金的應(yīng)用和發(fā)展。研發(fā)出一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法是一項重要而緊迫的課題。

長安大學(xué)的趙泰陽提出了一種高強度、高塑性的粉末冶金鈦合金及其加工方法，高氧錠坯經(jīng)過三鐓三拔開坯鍛造、三鐓三拔鍛造、棒材軋制和退火熱處理，獲得了一種非均質(zhì)層狀多級第二相組織，使合金具備良好的高強度、高塑性匹配；本發(fā)明的高強度、高塑性的粉末冶金鈦合金，內(nèi)部呈非均質(zhì)層狀多級第二相組織，非均質(zhì)層狀細晶組織中的層狀結(jié)構(gòu)能增強合金結(jié)構(gòu)強度，層狀結(jié)構(gòu)能容納應(yīng)變，從而使合金保持高韌性和高塑性（CN112725713A）。太原理工大學(xué)的郭瑞鵬公開了一種高性能粉末冶金鈦合金的分步熱等靜壓制備方法，首先將裝有鈦合金粉末的包套在850-900℃，>100MPa壓力下進行預(yù)成型，然后在920-970℃，>100MPa壓力下成型。分步熱等靜壓工藝可以有效破碎鈦合金粉末表面的氧化膜，提高粉末冶金鈦合金顯微組織的穩(wěn)定性，等軸晶的體積分數(shù)在20%-60%之間連續(xù)可調(diào)，從而實現(xiàn)粉末構(gòu)件的組織調(diào)控；同時可以顯著改善粉末冶金鈦合金的塑性和高周疲勞性能（CN111347045A）。中國科學(xué)院金屬研究所的趙子博公開了一種高溫、高強鈦合金及其加工方法，合金材料可通過熔煉法和粉末冶金燒結(jié)法獲得，隨后通過熱變形和熱處理工藝組合獲得鍛件產(chǎn)品，采用上述工藝制備得到的鍛件為雙態(tài)組織，材料在室溫至700℃范圍內(nèi)均具有較高的強度和良好的塑性，可用于制作航空航天關(guān)鍵部件在600～700℃長時使用，也可用于航天飛行器等耐溫結(jié)構(gòu)件在700～750℃短時使用（CN112195364A）。這些方法雖然對延伸率有一定改善，但都存在工藝復(fù)雜、成本高、塑性提高不明顯等缺陷，難以工業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，采用分步熱處理技術(shù)大幅提高高氧含量（0.3~0.5wt.%）鈦合金胚料的延伸率，此方法性能優(yōu)異、工藝簡單、適合大規(guī)模生產(chǎn)，克服了上述工藝的缺點。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，包括以下步驟：將鈦合金粉末依次經(jīng)過成型處理、燒結(jié)致密化和熱處理得到鈦合金制品；

所述燒結(jié)態(tài)鈦合金的氧含量為0.3~0.5wt.%；

所述熱處理工藝為真空度為小于等于10 -2Pa，首先以5~10℃/min升溫至β相變點以下50～100℃保溫1～4小時，隨后爐冷到β相變點以下200~300℃，保溫10~30min，最后空冷至室溫；

所述鈦合金制品的延伸率為大于等于15%。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，所述鈦合金粉末由氫化脫氧法、氣霧化法、等離子旋轉(zhuǎn)電極法中的一種制備而得。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，所述鈦合金粉末的牌號為α+β型雙相鈦合金TC4、TC6、TC8、TC9、TC11、TC15~TC21的中任一一種。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，所述成型處理為模壓成形、冷等靜壓、注射成形中任一一種。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，所述模壓成形的成型壓力為300~600MPa，保壓時間為30~60min；所述冷等靜壓的成型壓力為300~500MPa，保壓時間為30~50min；所述注射成形的注射溫度為120~150℃、注射壓力為70~130MPa。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，所述燒結(jié)處理為真空燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、等離子放電燒結(jié)中任一一種。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，所述真空燒結(jié)的真空度為小于等于10 -3Pa，燒結(jié)溫度為1200~1300℃，保溫時間為1~4h；所述熱等靜壓燒結(jié)的保護氣氛為氬氣，燒結(jié)溫度為900~1000℃，保溫時間為0.5~2h，保壓壓力為100~300MPa；所述等離子放電燒結(jié)的的保護氣氛為氬氣，燒結(jié)溫度為900~1000℃，保溫時間為20~40min，保壓壓力為50~150MPa。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，所述鈦合金制品的抗拉強度大于等于850MPa，孔隙率小于等于3%。

原理與優(yōu)勢

針對因氧含量高導(dǎo)致燒結(jié)態(tài)鈦合金胚料塑性差（1~4%）的問題，本發(fā)明首次通過分步熱處理技術(shù)大幅提高其延伸率，且對制品的強度和致密度并沒有明顯惡化，獲得性能優(yōu)越的鈦合金產(chǎn)品。本發(fā)明在技術(shù)開發(fā)過程中，嘗試只采用一步熱處理的方案，但其無論如何優(yōu)化，所得產(chǎn)品的性能還是不理想。在此基礎(chǔ)上，發(fā)明人進一步嘗試采用了分步熱處理工藝，發(fā)現(xiàn)在工藝參數(shù)優(yōu)化后，所得產(chǎn)品的性能得到明顯提升。

鈦合金的最終性能是由顯微組織的形態(tài)決定的，不同的組織對應(yīng)于不同的力學(xué)性能，而微觀組織形態(tài)主要取決于合金的化學(xué)成分和制備工藝。在化學(xué)成分基本不變的情況下，鈦合金的最終性能由制備工藝決定。兩相鈦合金燒結(jié)態(tài)組織為魏氏組織，它由α相集束+α相晶界+層間β相組成，由于其原始β晶粒比其他類型的組織粗大，且存在連續(xù)α晶界的緣故，其塑性較低，一般在5~10%左右。但當(dāng)氧含量超過3000ppm，甚至達到5000ppm時，由于氧是一種有效的α相穩(wěn)定元素，一方面，氧含量的增加可以促進了Ti 3Al在晶內(nèi)或晶界上的析出，另一方面可以在β相中產(chǎn)生細小的針狀α相。這兩方面導(dǎo)致鈦合金的塑性大幅降低。

熱處理工藝成為改變鈦合金組織，提升力學(xué)性能不可或缺的方法。分步熱處理技術(shù)是由一次加熱、二次保溫和二次隨爐冷卻過程組成。具體為將鈦合金燒結(jié)胚置于真空熱處理爐內(nèi)，在真空度小于等于10 -2Pa的環(huán)境內(nèi)，首先以5~10℃/min升溫至β相變點以下50～100℃保溫1～4小時，隨后爐冷到β相變點以下200~300℃，保溫10~30min，最后空冷至室溫。加熱到β相變點以下50~100℃，保溫一定時間，是為使針狀α相盡可能多的轉(zhuǎn)變成β相，Ti 3Al相中的Al原子向基體擴散盡可能減少此第二相的數(shù)量，然后降低100~200℃并持續(xù)一段時間的爐冷是為了不增加晶粒尺寸的前提下，獲得更多的相轉(zhuǎn)變擴散時間，最后快速冷卻使高溫組織得以保留。經(jīng)分布熱處理后，Ti 3Al相和針狀α相得到基本消除，且晶粒尺寸并未明顯長大，這是高氧鈦合金熱處理后塑性提高的原因。本發(fā)明通過大量的實驗，確定了分步熱處理的工藝參數(shù)，在上述的工藝參數(shù)下，可以獲得性能優(yōu)異的鈦合金制品。

本發(fā)明采用分步熱處理技術(shù)制備出性能優(yōu)異、工藝簡單、適合大規(guī)模生產(chǎn)的粉末冶金鈦合金制品。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢如下：

1）性能優(yōu)異。延伸率優(yōu)于同類產(chǎn)品50%以上；

2）工藝簡單。不涉及熱變形加工等復(fù)雜工序；

3）易于批量生產(chǎn)。生產(chǎn)效率是現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)2~3倍。

綜上所述，本發(fā)明采用分步熱處理技術(shù)提高了高氧含量鈦合金的塑性，減少了生產(chǎn)工序，具有綜合性能優(yōu)異、生產(chǎn)效率高、易于實現(xiàn)批量化生產(chǎn)等優(yōu)點，解決了現(xiàn)有技術(shù)中產(chǎn)品性能低、生產(chǎn)效率低、成本高昂等問題，能很好的滿足粉末冶金鈦合金的需求。

附圖說明

圖1是粉末冶金鈦合金制品的掃描電鏡照片。

具體實施方式

以下結(jié)合三個實例對本發(fā)明方法作進一步說明。

根據(jù)設(shè)計成分制備出鈦合金粉末，依次經(jīng)過成型處理、燒結(jié)致密化和熱處理得到鈦合金制品。

實施例1：

一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，其過程如下：

A、粉末制備：使用氣霧化法制備出TC4鈦合金粉末；

B、成型處理：將稱量好的原料粉末放入模具中，使用400MPa成型壓力保壓45min得到毛胚；

C、燒結(jié)致密化：將毛胚放入熱等靜壓機中，在氬氣的保護下進行致密化處理，燒結(jié)溫度為1000℃，保溫時間為1h，燒結(jié)胚氧含量為0.35wt.%；

D、熱處理：在真空熱處理爐中，真空度為小于等于10 -2Pa，首先以5℃/min升溫至β相變點以下50℃保溫2小時，隨后爐冷到β相變點以下200℃，保溫10min，最后空冷至室溫；

E、性能檢測：檢測其力學(xué)性能，結(jié)果如下：抗拉強度872MPa、伸長率15.5%。

實施例2：

一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，其過程如下：

A、粉末制備：使用等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備出TC21鈦合金粉末；

B、成型處理：將稱量好的原料粉末放入冷等靜壓機的包套中，使用400MPa成型壓力保壓35min得到毛胚；

C、燒結(jié)致密化：將毛胚放入等離子放電機中，在氬氣的保護下進行致密化處理，燒結(jié)溫度為1000℃，保溫時間為25min，燒結(jié)胚氧含量為0.4wt.%；

D、熱處理：在真空熱處理爐中，真空度為小于等于10 -2Pa，首先以5℃/min升溫至β相變點以下100℃保溫1.5小時，隨后爐冷到β相變點以下250℃，保溫20min，最后空冷至室溫；

E、性能檢測：檢測其力學(xué)性能，結(jié)果如下：抗拉強度903MPa、伸長率16.2%。

實施例3：

一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，其過程如下：

A、粉末制備：使用氫化脫氧法制備出TC11鈦合金粉末；

B、成型處理：將稱量好的原料粉末與粘結(jié)劑混合制成喂料，在注射成形機上得到毛坯，注射溫度為120℃、注射壓力為110MPa；

C、燒結(jié)致密化：將毛胚先經(jīng)過脫脂后，再放入真空燒結(jié)爐中，在真空環(huán)境下進行致密化處理，真空度為小于等于10 -3Pa，燒結(jié)溫度為1250℃，保溫時間為2h，燒結(jié)胚氧含量為0.43wt.%；

D、熱處理：在真空熱處理爐中，真空度為小于等于10 -2Pa，首先以10℃/min升溫至β相變點以下100℃保溫2小時，隨后爐冷到β相變點以下200℃，保溫20min，最后空冷至室溫；

E、性能檢測：檢測其力學(xué)性能，結(jié)果如下：抗拉強度856MPa、伸長率15%。

系列對比例1：

對比例1中除了上述表明的條件，其他條件均和實施例2一致。

系列對比例2

與實例2的唯一區(qū)別是只保留第一次熱處理，即單級熱處理，檢測其力學(xué)性能，結(jié)果如下：抗拉強度844MPa、伸長率4%?？赡苁菭t冷下第二相重新出現(xiàn)所致。

上述對比可以看出，過高或者過低的熱處理溫度、保溫時間等工藝參數(shù)，都會導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)缺陷，進而影響性能。

以上所述實例僅是本發(fā)明較優(yōu)的實施方法，故不能以此限定本發(fā)明的實施范圍，其他按照本發(fā)明的原理和內(nèi)容所做的等效改變、修飾、替代和組合，都仍屬于本發(fā)明的保護范圍。

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