CN114669742A - 高性能钛或钛合金制件及采用两步烧结法制备其的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高性能钛或钛合金制件及采用两步烧结法制备其的方法，该制备方法包括以下步骤：以钛基粉末为原料制备生坯料；在真空或者惰性气体保护下进行无压两步烧结，获得钛或钛合金制件；其中，第一步烧结温度为1130～1220℃，保温时间为0～1h；第二步烧结温度为1050～1120℃，保温时间为5～20h。该制备方法通过无压两步烧结实现制件高致密化与晶粒细化之间的两者耦合，进一步提高其综合力学性能，同时有效降低烧结温度，减少能源及设备损耗。
Description
技术领域
本发明涉及粉末冶金技术领域，具体涉及一种高性能钛或钛合金制件及采用两步烧结法制备其的方法。
背景技术
钛及钛合金具有比强度高、耐高温、耐腐蚀等优良特性，被广泛应用于航空航天、国防军工、石油化工、生物医疗等多个领域，是我国军民两用的重要战略性材料之一。然而钛及钛合金存在活性高、熔点高、热导率低等问题，传统铸造机加工法制备复杂结构困难，材料利用率不足10％，易出现成分偏析、缩孔、气孔及夹杂物残留等缺陷，难以充分发挥材料自身的性能优势。而粉末冶金工艺包括增材制造、粉末注射成形等多项先进制造技术，不仅可以实现钛及钛合金制品的近终成形，大幅提高材料利用率，还能有效降低制备成本，同时可以获得均匀细晶组织，制件综合性能优异，因此成为制备高性能钛及钛合金制品最为有效的技术手段之一。
然而，钛基粉末原子自扩散系数低，烧结活性差，无压烧结致密化困难。为提高粉末的烧结致密化程度，往往采用高温或加压烧结方法。但是高温烧结易造成晶粒组织粗大，导致制件力学性能严重下降；而放电等离子烧结、热压、热等静压等加压烧结方法同样存在制品形状单一、复杂制品难以制备、制备成本高等问题。
因此，如何实现钛基粉末无压烧结致密化是制备高性能钛及钛合金制品的核心问题。
发明内容
为解决现有技术中的问题，本发明的主要目的在于提供一种高性能钛或钛合金制件及采用两步烧结法制备其的方法，该制备方法通过无压两步烧结实现制件高致密化与晶粒细化之间的两者耦合，进一步提高其综合力学性能，同时有效降低烧结温度，减少能源及设备损耗。
为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种采用两步烧结法制备高性能钛或钛合金制件的方法。
该采用两步烧结法制备高性能钛或钛合金制件的方法包括以下步骤：
以钛基粉末为原料制备生坯料；
在真空或者惰性气体保护下进行无压两步烧结，获得钛或钛合金制件；其中，
第一步烧结温度为1130～1220℃，保温时间为0～1h；
第二步烧结温度为1050～1120℃，保温时间为5～20h。
进一步的，所述第一步烧结的保温时间为0～0.5h。
进一步的，所述第二步烧结的保温时间为6～14h。
进一步的，所述第一步烧结温度降至所述第二步烧结温度的降温速率为5～10℃/min。
进一步的，所述第一步烧结中，升温速率为5～10℃/min。
进一步的，所述钛基粉末的粉末粒度≤45μm；
优选的，氧含量≤2000ppm。
进一步的，所述生坯料采用机械单向压制、机械双向压制、冷等静压或者金属注射成形中的任意一种制备得到；
优选的，所述生坯料的相对密度为55～85％。
进一步的，所述机械单向压制和所述机械双向压制的压力均为30～80MPa，保压时间均为2～8min；
所述冷等静压的压力为200～300MPa，保压时间为3～10min；
所述金属注射成形的压力为100～200MPa，保压时间为0.25～2min，温度为160～200℃。
进一步的，所述惰性气体为氩气，通气流量为0.1～0.6L/min；或者真空度≤10- 2Pa。
为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，提供了一种高性能钛或钛合金制件。
采用上述的方法制备得到的高性能钛或钛合金制件，所述钛合金制件的组织为基体相及分布在基体相间的晶界相；或者为基体相、分布在基体相间的晶界相以及分布于基体相内的晶内相；其中，
所述基体相为α-Ti，呈等轴状；
所述晶界相为β-Ti；
所述晶内相为α-Ti+β-Ti，呈板条状；
所述组织中β-Ti总含量为4.5～5.8％，余量为α-Ti。
进一步的，所述钛制件的组织包括等轴状和近等轴状的α-Ti相；所述α-Ti相的平均尺寸为9～23μm。
进一步的，所述钛制件和所述钛合金制件的致密度均≥98.5％，晶粒尺寸均≤21.2μm；所述钛合金制件的抗拉强度为998～1023MPa，屈服强度为916～938MPa，延伸率为10.8～11.6％；
所述钛制件的抗拉强度为655～698MPa，屈服强度为568～607MPa，延伸率为14.6～18.8％。
两步烧结法利用晶界迁移激活能、晶界扩散激活能与烧结温度之间的指数变化规律，通过合理调控烧结温度区间及升温速率，建立适配的粉末烧结制度，从而解除烧结致密化与晶粒长大之间的耦合效应，实现金属制件的致密化与晶粒细化，为高性能钛及钛合金制品制造提供了新思路。
致密度的高低是影响钛制件力学性能的关键因素。致密度越低则残余孔隙数量越多，在材料服役过程中，这些残余孔隙极易形成裂纹源，使得材料强度和塑性急剧下降。由于钛基粉末烧结活性低、致密化困难，通常采用提高烧结温度的方法来促进烧结致密化，但该种方法易导致晶粒粗大。根据Hall-Petch准则(如公式1)，粗大的晶粒会引起材料屈服强度的下降，而细小的晶粒则会提高材料的屈服强度。并且晶粒越细小，等面积或等体积内的晶粒数量越多，塑性变形即在多个晶粒内同时进行，有效避免了应力集中，有助于材料塑性提升。因而，如何在保证高致密度前提下实现晶粒细化是制备高性能钛及钛合金制品的重要途径。
式中，σs为材料的屈服极限；σ0、k均为常数；d为晶粒平均尺寸。
宏观上，粉末烧结即是孔隙缩小及消除的过程。在烧结前期，粉末之间会发生粘结形成烧结颈，致密度出现明显提升。此过程主要以表面自由能作为驱动力，表面自由能的高低取决于粉末相对表面积的大小。粉末颗粒越细小，相对表面积越大，表面自由能就越高，越有助于烧结颈的长大。随着烧结颈的逐步长大，粉末的表面自由能消耗殆尽，制件内部会形成大量的细小孔洞和封闭孔洞。晶界作为空位“阱”，其内部原子排列疏松散乱，是烧结后期传质的快速通道。在烧结过程中，晶界迁移与扩散都对坯体致密化起着重要促进作用。但是，晶界迁移往往会造成晶粒的快速长大，其主要由晶界迁移激活能控制。激活能越小，晶粒越易长大。晶粒尺寸与晶界迁移扩散系数符合Hillert烧结模型，其关系如公式(2)所示。晶界迁移系数与晶界迁移激活能满足Arrhenius方程(公式(3))。而晶界扩散则会将孔隙内部的过剩空位通过邻接的晶界进行扩散或被它吸收，并不会造成晶粒长大，其主要由晶界扩散激活能控制。激活能越小，晶界扩散所需跃迁的能量势垒越低，越容易消除孔隙以实现致密化。晶粒尺寸与晶界扩散系数之间符合Johnson烧结模型，其关系如公式(4)所示。在晶粒正常长大条件下，晶界扩散系数与晶界扩散激活能满足Arrhenius方程(公式5)。因此，抑制晶界迁移且促进晶界扩散是解决上述问题的关键。
式中，Gavg为平均晶粒尺寸；G0为初始晶粒尺寸；t为烧结时间；γ为晶界能；Mb为晶界迁移系数；Mb,0为指前因子；Qb为晶界迁移激活能。kB为玻尔兹曼常数；T为绝对温度。
式中，L0为初始样品尺寸；ΔL为烧结后样品尺寸的改变量；ΔL/L0为样品的线性收缩率；Ω为原子体积；δ为晶界厚度；DGB为晶界扩散系数；DGB,0为指前因子；QGB为晶界扩散激活能。
在传统固相烧结温度下，晶界迁移与晶界扩散均处于活跃状态，烧结致密化与晶粒长大存在耦合效应。为此，本发明通过两步烧结法成功解除了两者之间的耦合效应。第一步烧结应加热到较高温度，但该温度相比于传统固相烧结温度下降了100～300℃。在进行短时间保温后，粉末之间发生粘结形成烧结颈，致密度应达到理论密度的70～90％。如致密度超过90％，烧结体内多为细小的圆形封闭孔隙，孔隙对晶界的钉扎作用严重减弱，为晶界迁移提供了有力条件。若致密度低于70％，则会使第二步烧结的保温时间大大延长，造成更多的能源损耗。随后快速降温至第二步烧结温度进行长时间保温，该温度下的晶界迁移激活能明显增大，晶界扩散激活能却维持在较低水平，始终保持活跃状态，从而起到消除残余封闭孔隙促进烧结致密化的作用，同时确保晶粒细小不粗化。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)两步烧结工艺适用于机械单向压制、冷等静压、金属注射成形等多种钛基粉末成形技术，制备工艺简单、流程短、易于操作，设备要求低，具有巨大的经济效益。
2)两步烧结工艺能够有效抑制钛基粉末传统烧结工艺中烧结后期的晶粒长大过程，并促进烧结致密化，制备的钛制品致密度高、晶粒细小、力学性能优异。
3)相比于传统烧结工艺，两步烧结工艺使钛基粉末的烧结温度降低了100～300℃，有效减少能源和设备损耗。该方法不局限于钛及钛合金，也为其它高熔点、高活性金属材料的烧结提供了新思路。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明提供的实施例1中采用冷等静压-两步烧结法制备得到的Ti-6Al-4V合金金相组织图；
图2为本发明提供的实施例2中采用注射成形-两步烧结法制备得到的Ti-6Al-4V合金金相组织图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
根据本发明的具体实施方式，提供了一种采用两步烧结法制备高性能钛或钛合金制件的方法。
该制备方法包括以下步骤：
S1：粉末原料准备：选取钛基粉末作为原料。
其中，钛基粉末为纯钛粉或者钛合金粉；钛合金粉可以为Ti-6Al-4V合金粉末。该钛基粉末的粉末粒度≤45μm，粉末形状为球形、近球形或者不规则形状；钛基粉末的氧含量≤2000ppm。
S2：制坯：将钛基粉末制备成生坯料。
其中，采用机械单向压制、机械双向压制、冷等静压或者金属注射成形中的任意一种制备得到生坯料；生坯料的相对密度为55～85％。
在本发明中，机械单向压制的压力为30～80MPa，保压时间为2～8min。
机械双向压制的压力为30～80MPa，保压时间为2～8min。
冷等静压的压力为200～300MPa，保压时间为3～10min。
金属注射成形的压力为100～200MPa，保压时间为0.25～2min，温度为160～200℃。
S3：烧结：将生坯料放入烧结炉中，在真空(真空度≤10-2Pa)或者惰性气体保护下进行无压两步烧结，随炉冷却，获得钛或钛合金制件；其中，
第一步烧结温度为1130～1220℃，保温时间为0～1h，优选为0～0.5h，升温速率为5～10℃/min；
第二步烧结温度为1050～1120℃，保温时间为5～20h，优选为6～14h，第一步烧结温度降至第二步烧结温度的降温速率为5～10℃/min。
在本发明中，惰性气体可以为氩气，纯度为99.999％，通气流量为0.1～0.6L/min。
以下将通过具体实施例对本发明中的制备方法及其制备得到的制件进行详细说明。
实施例1：
以粒度≤20μm的Ti-6Al-4V合金粉末为原料，粉末颗粒形状为球形，氧含量为1400ppm，随后在室温下对粉末进行冷等静压得到生坯，冷等静压的压力为250MPa，保压时间为5min，最后将得到的生坯置于氩气气氛保护烧结炉中进行烧结处理。具体烧结工艺为：从室温下以5℃/min快速升温至1140℃，不保温；随后以8℃/min降温至1080℃，保温12h；随炉冷却至室温，得到Ti-6Al-4V合金制件。
实施例2：
以粒度≤45μm的Ti-6Al-4V合金粉末为原料，粉末颗粒形状为近球形，氧含量为1300ppm，首先将粉末与聚甲醛基粘结剂在气氛密炼机上均匀混合；然后进行注射成形，注射温度为185℃，注射压力为120MPa，保压时间为30s；随后进行催化脱脂得到生坯；最后将得到的生坯置于氩气气氛保护烧结炉中进行烧结处理。具体烧结工艺为：从室温下以8℃/min快速升温至1160℃，保温0.25h；随后以5℃/min降温至1100℃，保温9h；随炉冷却至室温，得到Ti-6Al-4V合金制件。
实施例3～6均采用与实施例1和2相同的两步烧结方法，不同之处仅在于原料粉末参数、粉末成形方法及烧结工艺参数等，现将实施例1～6原料粉末参数、粉末成形方法、烧结工艺参数及综合性能进行汇总，详见表1。
表1实施例1～6中制备工艺参数汇总
以下将对实施例1～6中制备得到的钛基制件与对比例1～8中制备得到的钛基制件进行性能对比实验。
一、实验对象
实施例1～6中制备得到的钛基制件以及对比例1～8中制备得到的钛基制件，其中：
对比例1：
对比例1中的制备工艺参照实施例1，但与实施例1的区别在于：未采用两步烧结法，从室温以5℃/min升温至1300℃，保温2h。
对比例2：
对比例2中的制备工艺参照实施例1，但与实施例1的区别在于：第一步烧结温度1300℃，第二步烧结温度1200℃。
对比例3：
对比例3中的制备工艺参照实施例1，但与实施例1的区别在于：第二步降温速率2℃/min。
对比例4：
对比例4中的制备工艺参照实施例2，但与实施例2的区别在于：第一步烧结温度1060℃，第二步烧结温度1000℃。
对比例5：
对比例5中的制备工艺参照实施例4，但与实施例4的区别在于：未采用两步烧结法，以5℃/min升温至1250℃，保温2h。
对比例6：
对比例6中的制备工艺参照实施例4，但与实施例4的区别在于：第一步烧结温度1250℃，第二步烧结温度1150℃。
对比例7：
对比例7中的制备工艺参照实施例4，但与实施例4的区别在于：第二步降温速率1.5℃/min。
对比例8：
对比例8中的制备工艺参照实施例5，但与实施例5的区别在于：所使用的原料粉末粒度＜150μm。
二、实验方法
采用现有技术中的常规检测方法对实施例1～6以及对比例1～8制备得到的钛基制件进行性能测定。
性能检测：
(1)相对密度测试：对实施例1～6以及对比例1～8中制备得到的制件分别进行相对密度测定。
(2)力学性能测试：对实施例1～6以及对比例1～8中制备得到的制件分别进行室温抗拉强度、屈服强度和延伸率测定。
三、实验结果
对实施例1～6以及对比例1～8中钛及钛合金制件性能进行汇总，详见表2。
表2实施例1～6与对比例1～8中钛及钛合金性能汇总
由表2可以看出，本发明实施例中制备得到的制件的致密度高，达98.5～99.0％，晶粒细小，晶粒尺寸在9.6～21.2μm范围内，力学性能优异，其中，钛合金制件的温抗拉强度在998～1023MPa范围内，屈服强度在916～938MPa范围内，延伸率在10.8～11.6％范围内；纯钛制件的温抗拉强度在655～698MPa范围内，屈服强度在568～607MPa范围内，延伸率在14.6～18.8％范围内。
图1示出了实施例1中制备得到的Ti-6Al-4V合金制件的微观组织图，从图中可以看出Ti-6Al-4V合金制件主要由等轴状α-Ti基体相和分布在基体相间的晶界相β-Ti组成，其中β-Ti含量为5.6％，余量为α-Ti；基体相晶粒平均尺寸为9.6μm。
图2示出了实施例2中制备得到的Ti-6Al-4V合金制件的微观组织图，从图中可以看出Ti-6Al-4V合金制件主要由等轴状α-Ti基体相、晶界相β-Ti以及少量板条状的晶内相α-Ti+β-Ti组成，其中组织中β-Ti总含量为5.3％，余量为α-Ti；基体相晶粒平均尺寸为21.2μm。
通过对比试验可以发现，在传统固相烧结温度或过高的两步烧结温度下进行烧结，获得的制件的致密度有所下降，晶粒长大明显，进而导致钛及钛合金制件力学性能下降，塑性下降明显或基本无塑性，易发生脆性断裂，如对比例1、2、5和6。而采用粗大的原始粉末或过低的两步烧结温度，均会使致密度出现剧烈下降，制件发生脆性断裂，基本无塑性，如对比例4和8。而采用两步烧结工艺过程中应注意控制第二步烧结的降温速率，一旦降温速率过低，晶粒也会出现长大，导致塑性下降。因此将钛或钛合金生坯料在适宜的烧结温度范围及降温速率下进行两步烧结，才可以获得高致密、晶粒细小、力学性能优异的钛及钛合金制件。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种采用两步烧结法制备高性能钛或钛合金制件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
以钛基粉末为原料制备生坯料；
在真空或者惰性气体保护下进行无压两步烧结，获得钛或钛合金制件；其中，
第一步烧结温度为1130～1220℃，保温时间为0～1h；
第二步烧结温度为1050～1120℃，保温时间为5～20h。
2.根据权利要求1所述的采用两步烧结法制备高性能钛或钛合金制件的方法，其特征在于，所述第一步烧结温度降至所述第二步烧结温度的降温速率为5～10℃/min。
3.根据权利要求1或2所述的采用两步烧结法制备高性能钛或钛合金制件的方法，其特征在于，所述第一步烧结中，升温速率为5～10℃/min。
4.根据权利要求1所述的采用两步烧结法制备高性能钛或钛合金制件的方法，其特征在于，所述钛基粉末的粉末粒度≤45μm；
优选的，氧含量≤2000ppm。
5.根据权利要求1所述的采用两步烧结法制备高性能钛或钛合金制件的方法，其特征在于，所述生坯料采用机械单向压制、机械双向压制、冷等静压或者金属注射成形中的任意一种制备得到；
优选的，所述生坯料的相对密度为55～85％。
6.根据权利要求5所述的采用两步烧结法制备高性能钛或钛合金制件的方法，其特征在于，所述机械单向压制和所述机械双向压制的压力均为30～80MPa，保压时间均为2～8min；
所述冷等静压的压力为200～300MPa，保压时间为3～10min；
所述金属注射成形的压力为100～200MPa，保压时间为0.25～2min，温度为160～200℃。
7.根据权利要求1所述的采用两步烧结法制备高性能钛或钛合金制件的方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气，通气流量为0.1～0.6L/min；或者真空度≤10-2Pa。
8.采用权利要求1-7任一项所述的方法制备得到的高性能钛或钛合金制件，其特征在于，所述钛合金制件的组织为基体相及分布在基体相间的晶界相；或者为基体相、分布在基体相间的晶界相以及分布于基体相内的晶内相；其中，
所述基体相为α-Ti，呈等轴状；
所述晶界相为β-Ti；
所述晶内相为α-Ti+β-Ti，呈板条状；
所述组织中β-Ti总含量为4.5～5.8％，余量为α-Ti。
9.根据权利要求8所述的高性能钛或钛合金制件，其特征在于，所述钛制件的组织包括等轴状和近等轴状的α-Ti相；所述α-Ti相的平均尺寸为9～23μm。
10.根据权利要求8或9所述的高性能钛或钛合金制件，其特征在于，所述钛制件和所述钛合金制件的致密度均≥98.5％，晶粒尺寸均≤21.2μm；所述钛合金制件的抗拉强度为998～1023MPa，屈服强度为916～938MPa，延伸率为10.8～11.6％；
所述钛制件的抗拉强度为655～698MPa，屈服强度为568～607MPa，延伸率为14.6～18.8％。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06306513A (ja) * | 1993-04-22 | 1994-11-01 | Nippon Steel Corp | 高疲労強度焼結チタン合金の製造方法 |
| CN104099488A (zh) * | 2014-07-24 | 2014-10-15 | 北京交通大学 | 一种无压烧结-加压致密化制备钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料的方法 |
| CN104129988A (zh) * | 2014-08-18 | 2014-11-05 | 武汉理工大学 | 一种无铅高储能密度高储能效率陶瓷介质材料及其制备方法 |
| CN107130139A (zh) * | 2017-06-15 | 2017-09-05 | 北京科技大学 | 一种添加Sn强化烧结粉末冶金TiAl基合金的方法 |
| CN111362695A (zh) * | 2020-03-18 | 2020-07-03 | 广州凯立达电子股份有限公司 | 一种锆钛酸铅压电陶瓷及其制备方法 |
| CN114029489A (zh) * | 2021-11-18 | 2022-02-11 | 湖南英捷高科技有限责任公司 | 一种提高粉末冶金钛合金塑性的方法 |
-
2022
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06306513A (ja) * | 1993-04-22 | 1994-11-01 | Nippon Steel Corp | 高疲労強度焼結チタン合金の製造方法 |
| CN104099488A (zh) * | 2014-07-24 | 2014-10-15 | 北京交通大学 | 一种无压烧结-加压致密化制备钛铝碳颗粒增强锌铝基复合材料的方法 |
| CN104129988A (zh) * | 2014-08-18 | 2014-11-05 | 武汉理工大学 | 一种无铅高储能密度高储能效率陶瓷介质材料及其制备方法 |
| CN107130139A (zh) * | 2017-06-15 | 2017-09-05 | 北京科技大学 | 一种添加Sn强化烧结粉末冶金TiAl基合金的方法 |
| CN111362695A (zh) * | 2020-03-18 | 2020-07-03 | 广州凯立达电子股份有限公司 | 一种锆钛酸铅压电陶瓷及其制备方法 |
| CN114029489A (zh) * | 2021-11-18 | 2022-02-11 | 湖南英捷高科技有限责任公司 | 一种提高粉末冶金钛合金塑性的方法 |
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