CN103572084B

CN103572084B - 一种含氧的钛基合金的粉末冶金制备方法

Info

Publication number: CN103572084B
Application number: CN201310516241.7A
Authority: CN
Inventors: 肖代红
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2013-10-28
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2033-10-28
Also published as: CN103572084A

Abstract

本发明提供一种含氧的钛基合金的粉末冶金制备方法，属于粉末冶金结构材料制备技术领域。采用纯钛粉或者钛合金粉末，通过高温固态表面渗氧-活化烧结的方法，制备高性能的含氧的钛合金。其制备过程为：1）把纯钛粉或者钛合金粉在氧气环境下的高温环境中进行固态表面渗氧处理，然后冷却；2）把高温渗氧的粉末在热压烧结炉中或者等离子烧结炉中活化烧结成块。本发明通过合理的微观结构设计，充分利用廉价氧的强化作用，同时减弱其对塑性的损害，制备出成分简单、价格低廉的含氧的钛基合金，可节约资源，降低成本。本发明同时工艺简单，可适合于工业化生产。

Description

一种含氧的钛基合金的粉末冶金制备方法

技术领域

本发明涉及一种含氧的钛基合金的粉末冶金制备方法。属于粉末冶金结构材料制备技术领域。

背景技术

钛及其合金因其具有轻质高强、热强性好、耐蚀性和生物相容性优异等优点，在航空航天等军用和民用领域获得了日益广泛的应用。固溶强化是目前钛合金主要的强化方式之一。文献表明，0.4%的氧能使纯钛拉伸屈服强度从180MPa提高到610MPa，其强化效果远高于其他常用的Al、Ag、Zr、Mo等合金化元素【钛合金在俄罗斯飞机及航空航天上的应用，航空工业出版社，2008年，p2】。氧在Ti中的最大固溶度为14.5%（质量分数，下同）。由于氧存在于钛基体中，通常有2种形式，一种是固溶在基体合金中，形成含氧的固溶体，这对基体金属是具有良好的固溶强化效果的；另一种是与基体金属形成氧化物夹杂，严重损害基体金属的塑性。而现有技术无法控制氧存在于钛基体中的具体形式，因此，为保持金属钛的良好塑性，通常工业纯钛中的氧含量被严格控制在0.2wt.%以下；导致作为固溶体强化效果显著的氧元素的强化效果没有得到充分的利用。另外，在通常的粉末冶金领域中，由于氧会使材料断裂韧性、低温韧性、疲劳性能、耐蚀性、冷成型性和可焊性等变坏，因此，氧通常作为一种有害元素，其含量也是被严格控制的。

基于氧具有显著的固溶体强化效果，已有科研人员在这方面进行了初步探索，并取得了良好的效果。澳大利亚的Xu等【Appl.Phys.Lett.，2008年,Vol.92,p11924】，通过氢化脱氢法制备了氧含量为1.34%的钛粉，并利用BP-ECAP（反压-等通道复合挤压）法得到了压缩屈服强度达1350MPa的超细晶钛合金。华南理工大学的Li等【Mater.Sci.Eng.A,2011年,Vol.528,p1897】，以非晶态钛粉为先驱体，通过等离子活化烧结（PAS）法制备了细晶Ti-O基复合材料，其压缩屈服强度达到2100MPa。但上述两种方法都存在着工艺复杂、制备工艺流程长、成本较高的缺点。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术之不足而提供一种工艺简单，成本低的含氧的钛基合金的粉末冶金制备方法。所生产出的含氧钛合金具有良好的致密度，产品质量综合性能优良。

本发明一种含氧的钛基合金的粉末冶金制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将纯钛粉或钛合金粉置于含氧环境下加热至500～700℃保温5-60分钟，获得颗粒表面含氧的纯钛粉或钛合金粉；

步骤二：将步骤一中所得的含氧纯钛粉或钛合金粉在真空热压烧结炉或等离子烧结炉中进行烧结；得到含氧的粉末冶金钛氧合金；

其中：热压烧结炉的烧结工艺参数为：烧结压力5MPa～25MPa，烧结温度1200～1400℃，烧结时间30～180分钟；

等离子烧结炉的烧结工艺参数为：烧结压力20MPa～50MPa，烧结温度1000～1200℃，烧结时间5～25分钟。

本发明一种含氧的钛基合金的粉末冶金制备方法，所述含氧环境是指环境中氧的体积浓度为不低于20%。

本发明一种含氧的钛基合金的粉末冶金制备方法，所述纯钛粉或钛合金粉的粒度为10μm-150μm。

本发明一种含氧的钛基合金的粉末冶金制备方法，所述纯钛粉的纯度≥99%。

本发明一种含氧的钛基合金的粉末冶金制备方法，所述含氧纯钛粉或钛合金粉盛装在石墨模具中进行烧结。

本发明的机理简述如下：

本发明采用高温固态表面渗氧方法制备含氧的钛合金粉，然后通过真空热压活化烧结或等离子活化烧结方法，制备成块体含氧钛合金材料。通过对粉末在500～700℃下保温10-60min进行高温固态表面渗氧处理，实现了在钛粉末表面的渗氧，而严格控制渗氧处理温度在500～700℃，可以确保渗氧过程中不会生成钛的氧化物夹杂；然后利用真空热压烧结或等离子活化烧结方法在1000～1400℃下保温5-180min制备成致密度超过98％的块体材料，通过高温固态扩散的方法，在微米尺度纯钛粉或钛合金粉颗粒表面构建含氧固溶体壳层结构，形成粉末表面固溶氧而粉末中间保持原来状态的核壳结构，每个核壳钛晶粒中，壳提供足够强度，核保持加工硬化能力，这样就可以实现核与壳的功能复合与互补，保证采用活化烧结的方法制备的粉末冶金块体钛合金材料具备高强度的同时兼具一定塑性；充分利用了氧的固溶强化作用，结合固溶强化与界面强化特点，以间隙原子氧在钛晶粒表里的浓度差，在微米量级钛晶粒内构建核壳结构（这种核壳结构可采用电子显微分析的方法确定），从而减弱其对塑性的损害，制备出成分简单、价格低廉的含氧钛合金，对高性能低成本钛合金的研发具有积极的推动作用。

与现有技术相比，本发明充分利用氧的廉价资源，通过简单的高温固态表面渗氧的方法制备成含氧的钛合金粉末，然后通过活化烧结的方法制备成氧固溶强化的含氧钛合金。烧结体合金的抗压缩强度超过1500MPa，致密度超过98％，合金中的氧含量质量分数最大能达到9%。

综上所述，本发明工艺简单，成本低；制备的钛合金具有良好的致密度，产品质量综合性能优良，具有高强度高塑性特点，适于工业化生产。

具体实施方式

结合本发明的方法提供以下实例：

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以下本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程。

本发明实施例以及对比例中，制备的材料的抗压缩强度采用室温单向压缩方法测定；塑性采用压缩率表示，即采用压缩变形前后试样高度的变化率表示；致密度采用排水法测定；氧含量采用还原法测定。

对比例1

把平均粒度为100μm的Ti-6Al-4V（质量分数，下同）（纯度超过99%）的合金粉装于石墨模具中，放置在真空热压烧结炉中进行烧结，烧结压力为15MPa，烧结时间120分钟，烧结温度为1300℃。烧结后块体材料的抗压缩强度为1250MPa，抗压缩率2.1%，排水法测试得到烧结体的致密度为97％，块体材料中氧含量为0.21%（质量分数，下同）。

对比例2

把平均粒度为100μm的纯钛粉（纯度为99%）装于石墨模具中，放置在真空热压烧结炉中进行烧结，烧结压力为25MPa，烧结时间180分钟，烧结温度为1400℃。烧结后块体材料的抗压缩强度为1030MPa，抗压缩率2.7%，烧结体的致密度为98.2％，块体材料中氧含量为0.12%。

实施例1

把平均粒度150μm的纯钛粉（纯度超过99%）在含氧的空气环境（体积浓度20%）下于500℃保温60分钟进行高温固态表面渗氧处理，粉末冷却后。把粉末装于石墨模具中，放置在真空热压烧结炉中进行烧结，烧结压力为25MPa，烧结时间180分钟，烧结温度为1400℃。烧结后块体材料的抗压缩强度为1650MPa，抗压缩率3.5%，烧结体的致密度为98.1％，块体材料中氧含量为1.8%。

实施例2

把平均粒度50μm的纯钛粉（纯度超过99%）在含氧的空气环境（体积浓度20%）下600℃保温30分钟进行高温固态表面渗氧处理，粉末冷却后。把粉末装于石墨模具中，放置在等离子烧结炉中进行烧结，烧结压力为50MPa，烧结时间5分钟，烧结温度为1000℃。烧结后块体材料的抗压缩强度为2005MPa，抗压缩率2.6%，烧结体的致密度为99.3％，块体材料中氧含量为2.3%。

实施例3

把平均粒度10μm的纯钛粉（纯度超过99%）在纯氧环境下（体积浓度95%）于700℃保温5分钟进行高温固态表面渗氧处理，粉末冷却后。把粉末装于石墨模具中，放置在真空热压烧结炉中进行烧结，烧结压力为15MPa，烧结时间60分钟，烧结温度为1200℃。烧结后块体材料的抗压缩强度为1550MPa，抗压缩率3.4%，烧结体的致密度为98.9％，块体材料中氧含量为7.8%。

实施例4

把平均粒度50μm的纯钛粉（纯度超过99%）在含氧的大气环境（体积浓度20%）下于650℃保温5分钟进行高温固态表面渗氧处理，粉末冷却后。把粉末装于石墨模具中，放置在等离子烧结炉中进行烧结，烧结压力为35MPa，烧结时间25分钟，烧结温度为1000℃，。烧结后块体材料的抗压缩强度为1610MPa，抗压缩率4.1%，烧结体的致密度为99.1％，块体材料中氧含量为8.3%。

实施例5

把平均粒度50μm的Ti-6Al-4V合金粉在纯氧气环境（体积浓度20%）下于650℃保温30分钟进行高温固态表面渗氧处理，粉末冷却后。把粉末装于石墨模具中，放置在真空热压烧结炉中进行烧结，烧结压力为5MPa，烧结时间60分钟，烧结温度为1300℃。烧结后块体材料的抗压缩强度为2340MPa，抗压缩率3.2%，烧结体的致密度为98.3％，块体材料中氧含量为3.6%。

实施例6

把平均粒度100μm的Ti-6Al-4V合金粉在纯氧气环境（体积浓度95%）下于550℃保温10分钟进行高温固态表面渗氧处理，粉末冷却后。把粉末装于石墨模具中，放置在等离子烧结炉中进行烧结，烧结压力为20MPa，烧结时间15分钟，烧结温度为1100℃。烧结后块体材料的抗压缩强度为1950MPa，抗压缩率2.8%，烧结体的致密度为99.4％，块体材料中氧含量为5.4%。

实施例7

把平均粒度80μm的Ti-10V-2Fe-3Al合金粉在纯氧气环境（体积浓度95%）下于700℃保温10分钟进行高温固态表面渗氧处理，粉末冷却后。把粉末装于石墨模具中，放置在等离子烧结炉中进行烧结，烧结压力为40MPa，烧结时间10分钟，烧结温度为1150℃。烧结后块体材料的抗压缩强度为1710MPa，抗压缩率3.1%，烧结体的致密度为99.2％，块体材料中氧含量为9.1%。

从以上实施例及对比例得到的性能参数可知：本发明的方法充分利用了廉价氧的固溶强化，所制备的含氧的钛合金具有高的抗压缩强度与高压缩率的特点。

Claims

1.一种含氧的钛基合金的粉末冶金制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将纯钛粉或钛合金粉置于含氧环境下加热至500~700℃保温5-60分钟，获得颗粒表面含氧的纯钛粉或钛合金粉；

步骤二：将步骤一中所得的含氧纯钛粉或钛合金粉在热压烧结炉或等离子烧结炉中进行烧结；得到含氧的粉末冶金钛基合金；所述粉末冶金钛基合金为粉末表面固溶氧而粉末中间保持原来状态的核壳结构。

2.根据权利要求1所述的一种含氧的钛基合金的粉末冶金制备方法，其特征在于：所述含氧环境是指环境中氧的体积浓度≥20%。

3.根据权利要求1所述的一种含氧的钛基合金的粉末冶金制备方法，其特征在于：所述纯钛粉或钛合金粉的粒度为10μm-150μm。

4.根据权利要求1所述的一种含氧的钛基合金的粉末冶金制备方法，其特征在于：所述纯钛粉的纯度≥99%。

5.根据权利要求1所述的一种含氧的钛基合金的粉末冶金制备方法，其特征在于：所述含氧纯钛粉或钛合金粉盛装在石墨模具中进行烧结。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种含氧的钛基合金的粉末冶金制备方法，其特征在于：热压烧结炉的烧结工艺参数为：烧结压力5MPa～25MPa，烧结温度1200～1400℃，烧结时间30～180分钟。

7.根据权利要求1-5任意一项所述的一种含氧的钛基合金的粉末冶金制备方法，其特征在于：等离子烧结炉的烧结工艺参数为：烧结压力20MPa～50MPa，烧结温度1000～1200℃，烧结时间5～25分钟。