一種鈦鋁預合金粉末置氫與兩步除氫熱等靜壓成形方法與流程

2023-05-06 09:23:56 1

本發明屬於粉末冶金領域，具體涉及一種鈦鋁預合金粉末置氫與兩步除氫熱等靜壓成形方法。

背景技術：

鈦鋁合金具有密度低，比強度高，高溫性能穩定，耐腐蝕等突出優點，在航空、航天、汽車、化工等領域有著廣範的應用。熱等靜壓近淨成形甚至淨成形鈦鋁合金作為一種十分經濟有效的成形技術，已開始應用於鈦鋁合金複雜難加工零件的製備。熱等靜壓所用金屬包套和控型型芯通常為便於取材，加工及焊接性好，成本低廉的碳鋼和不鏽鋼。但鈦鋁合金粉末熱等靜壓的溫度較高，通常要在1200℃以上才能獲得性能較好的鈦鋁合金熱等靜壓零件，而在較高溫度下碳鋼和不鏽鋼的包套和控型型芯容易對零件表面產生嚴重的汙染，對於鈦鋁合金，在較高溫度下，碳鋼和不鏽鋼與鈦鋁合金髮生嚴重的反應生成鈦-鋁-鐵金屬間化合物，導致零件完全損壞。且在較高溫度下成形對相關設備的要求和損耗也較高，相應的加工成本也較高。

利用鈦鋁預合金粉末置氫與兩步除氫熱等靜壓成形的方法成功避免了上述問題，可在較低溫度下對鈦鋁合金進行熱等靜壓成形。

氫元素在鈦鋁合金內部是一種可逆化的合金元素，且氫元素在鈦鋁合金中具有降低鈦鋁合金高溫流變應力，降低β固相線的作用，進而降低鈦鋁合金的高溫臨界成形溫度。首先對熱等靜壓用鈦鋁預合金粉末置氫處理，大量氫原子可以，以鈦和鋁氫化物的形式被保留在粉末內部，其次鈦和鋁氫化物具有一定的穩定性，只有在高於其分解溫度時，其才能重新分解析出氫原子，且隨著溫度的升高，分解量逐漸增多，直至完全分解，保證了熱等靜壓高溫抽真空除氣工藝過程中，置入粉末內部氫原子的析出量及保留量可以定量控制，達到既使粉末表面氧化膜被有效的破除，又使粉末內部保留適量的氫原子，利於其高溫成形性的改善。採用氫化處理後的粉末在較低溫度下熱等靜壓成形零件，既可有效控制零件與包套和控型型芯的界面反應，得到氧含量低，組織細小緻密，性能優異的零件，又可降低對設備的要求和能耗。

專利文獻CN104550963A公開了一種利用氫化鈦合金粉末實現鈦合金粉末成形的方法，該方法將氫化後的鈦合金粉末裝入金屬包套中，振實後在高溫下抽真空，脫除合金的氫含量，封焊後進行熱等靜壓，實現鈦合金成形。該方法通過在包套抽真空除氣環節脫除氫化鈦合金粉末中氫含量，解決了氫化鈦合金成形過程中的除氫問題。

但是專利文獻CN104550963A公開的一種利用氫化鈦合金粉末實現鈦合金粉末成形的方法存在如下問題：

(1)成形採用的粉末為循環氫破碎鈦合金粉末，粉末流動性差，不利於熱等靜壓直接近淨成形甚至淨成形複雜的零部件。

(2)成形過程中在粉末熱等靜壓前直接一次將粉末中的氫原子除去，其目的為改善鈦合金成形過程中氫含量高的技術問題。其成形溫度高，相應對熱等靜壓成形過程中的包套、控型型芯材料及成形設備的要求高，成形的成本高昂。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供一種鈦鋁預合金粉末置氫與兩步除氫熱等靜壓成形方法，其目的是在較低溫度下對鈦鋁預合金粉末熱等靜壓成形，減小甚至避免金屬包套和控型型芯對零件的汙染和損壞，降低設備要求。及降低最終熱等靜壓近淨成形甚至淨成形零件中的氧含量，細化微觀組織，提高其力學性能。

為了實現上述目的，本發明提供一種鈦鋁預合金粉末置氫與兩步除氫熱等靜壓成形方法，該方法包括如下步驟：

(1)對鈦鋁預合金粉末置氫處理；

(2)將所述置氫後的鈦鋁預合金粉末裝填入金屬包套和控型型芯內部，振動緊實；

(3)對所述金屬包套和控型型芯第一步抽真空脫氫除氣；

(4)對所述除氣後的金屬包套和控型型芯封焊；

(5)對所述封焊後的金屬包套和控型型芯進行熱等靜壓緻密化；

(6)去除所述金屬包套和控型型芯，得到含一定量氫原子的鈦鋁合金零件；

(7)對所述含氫原子的鈦鋁零件第二步真空退火脫氫，使其內部氫原子含量達到允許安全線以下。

優選地，所述置氫處理的溫度為600℃～900℃、氫分壓為0.1MPa～4Mpa、置氫時間為1～8h。

優選地，所述抽真空溫度範圍為420℃～600℃。

優選地，所述抽真空保溫時間為4～8h。

優選地，所述抽真空和脫氫處理的真空度小於或等於0.001Pa。

優選地，所述熱等靜壓的溫度為1000～1160℃、壓力為100～200Mpa、保溫保壓時間為1～4h。

優選地，所述真空退火溫度為600～800℃、退火時間為8～48h、真空度小於或等於0.001Pa。

優選地，所述金屬包套和控型型芯材料為碳鋼或不鏽鋼。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本發明的技術方案利用含適量氫原子的鈦鋁預合金粉末熱等靜壓成形零件，通過控制氫原子的置入和析出量，達到既保持粉末的球形形貌特徵，保證其良好的粉末流動性，又在氫原子適量析出的過程中達到鈦鋁預合金粉末表面氧化膜的破除，起到提高粉末蠕變、粘結、擴散、再結晶性能的作用，並最終降低成形零件中氧含量。

(2)本發明的技術方案利用熱等靜壓成形過程中氫原子可降低鈦鋁合金高溫流變應力，及降低β固相線作用，進而達到降低鈦鋁合金高溫臨界變形溫度的作用，在較低溫度下熱等靜壓成形鈦鋁合金零件。降低對包套、控型型芯及熱等靜壓設備的要求，減少加工的成本。

(3)本發明的技術方案對成形後的鈦鋁合金零件真空除氫退火，又可達到細化微觀組織，提高零件綜合性能的作用。

附圖說明

圖1為本發明實施例的一種鈦鋁預合金粉末置氫與兩步除氫熱等靜壓成形方法流程圖；

其中，圖1(a)為粉末置氫處理示意圖；

圖1(b)為置氫後粉；

圖1(c)為裝填置氫粉末的金屬包套和控型型芯；

圖1(d)為對裝填有置氫粉末的金屬包套和控型型芯高溫抽真空第一步脫氫除氣示意圖；

圖1(e)為對除氫後金屬包套和控型型芯封焊示意圖；

圖1(f)為對封焊的金屬包套和控型型芯熱等靜壓示意圖；

圖1(g)為熱等靜壓緻密化成形零件示意圖；

圖1(h)為對成形零件第二步真空退火脫氫示意圖；

圖2為本發明實施例的一種鈦鋁預合金粉末置氫與兩步除氫熱等靜壓成形方法涉及的粉末自還原破除表面氧化膜示意圖；

其中，圖2(a)為置氫後的粉末；

圖2(b)為高溫除氫自還原淨化粉末表面示意圖；

圖2(c)為表明淨化後粉末。

所有附圖中，相同的附圖標記表示同一個結構元件，其中：1-包套壁、2-控型型芯、3-封焊焊口、4-置入粉末內部的氫原子、5-粉末表面氧化層、6-水蒸氣、7-氫氣。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。

圖1為本發明實施例的一種鈦鋁預合金粉末置氫與兩步除氫熱等靜壓成形方法流程圖。如圖1所示，一種鈦鋁預合金粉末置氫與兩步除氫熱等靜壓成形方法，該方法包括以下步驟：

(1)粉末預置氫處理：在溫度600℃～900℃，氫分壓0.1MPa～4MPa，保溫時間1～8h條件下對熱等靜壓用鈦鋁預合金粉末置氫處理，使其內部置入一定量氫原子，同時不使預合金粉末破碎，影響其流動性。

(2)粉末裝填：將預先置入氫原子的鈦鋁預合金粉末裝填入金屬包套和控型型芯內部，振動緊實。所述金屬包套和控型型芯材料為碳鋼、不鏽鋼。

(3)第一步高溫真空脫氫除氣：對裝填有置氫粉末的包套和控型型芯，在420℃～600℃溫度範圍內抽真空脫氫除氣，真空度小於0.001Pa，保溫時間4～8h，使置入粉末內部以氫化物形式存在的氫原子發生一定量的分解析出，破除粉末表面氧化膜，利於後續熱等靜壓緻密化，並降低最終零件內部氧含量；同時使粉末內部保留適量的氫原子，用於改善其高溫成形性。

(4)封焊：對第一步脫氫除氣後包套和控型型芯密封焊斷。

(5)熱等靜壓緻密化：對封焊後的包套和控型型芯進行熱等靜壓緻密化，鈦鋁預合金粉末熱等靜壓溫度1000～1160℃，壓力100～200MPa，保溫保壓時間1～4h。

(6)去除包套和控型型芯：採用機加工方式去除金屬包套，採用化學腐蝕或電解腐蝕方式去除控型型芯，得到含一定量氫原子的鈦鋁合金零件。

(7)第二步真空退火脫氫處理：將含氫原子的鈦鋁零件在溫度600～800℃，真空度小於0.001Pa，保溫時間8～48h條件下脫氫處理，使其內部氫原子含量達到允許安全線以下。

本發明的特點是利用氫元素在鈦鋁合金內部的可逆化作用，還原破除鈦鋁預合金粉末表面氧化膜，及氫元素可降低鈦鋁合金高溫流變應力，穩定β相存在的作用，進而降低鈦鋁合金高溫加工的臨界溫度。將氫元素作為一種臨時性合金元素加入粉末內部，熱等靜壓過程中破除粉末表面氧化膜，改善粉末高溫成形性，實現鈦鋁合金粉末較低溫度下熱等靜壓成形，減小包套和控型型芯與零件的界面反應，降低對設備的要求和能耗。

實例1

本發明實施例的一種鈦鋁預合金粉末置氫與兩步除氫熱等靜壓成形方法，運用本發明在較低溫度下製備Ti-47Al-2Cr-2Nb鈦鋁預合金熱等靜壓緻密化零件的實施例，具體步驟如下：

1)在溫度750℃，氫分壓0.1MP條件下對平均晶粒直徑為100μm的Ti-47Al-2Cr-2Nb鈦鋁預合金粉末置氫處理4h，使Ti-47Al-2Cr-2Nb鈦鋁預合金粉末內部置入適量的氫原子；

2)將置氫後的Ti-47Al-2Cr-2Nb鈦鋁合金粉末裝填入不鏽鋼包套和控型型芯內，振動緊實；

3)在溫度550℃條件下，對置氫粉末抽真空除氣，在真空度低於0.001Pa下，保持4h。對包套內部抽真空除氣使粉末內部以氫化物形式存在的氫原子發生一定量的分解析出，破除粉末表面氧化膜，利於後續熱等靜壓緻密化，並降低零件內部最終氧含量；同時，使粉末內部保留一定量的氫原子含量，改善其高溫成形性；

4)將除氣後粉末封焊在不鏽鋼包套和控型型芯內；

5)將封焊後的不鏽鋼包套和控型型芯在溫度1050℃，壓力170MPa，保溫保壓3h條件下，熱等靜壓緻密化；

6)採用機械加工方法去除不鏽鋼包套，採用化學腐蝕或電解腐蝕方式去除控型型芯，得到熱等靜壓緻密化Ti-47Al-2Cr-2Nb鈦鋁合金零件；

7)對Ti-47Al-2Cr-2Nb鈦鋁合金零件在700℃，真空度小於0.001Pa下抽真空48h，脫去零件內部氫原子，使其含量在允許安全線以下。最終得到氧含量低，組織細小緻密，性能優異的鈦鋁合金零件。

實例2

本發明實施例的一種鈦鋁預合金粉末置氫與兩步除氫熱等靜壓成形方法，運用本發明在較低溫度下製備Ti-45Al-5Nb-0.8Mo-0.3Y鈦鋁預合金熱等靜壓緻密化零件的實施例，具體步驟如下：

1)在溫度700℃，氫分壓2MP條件下對平均晶粒直徑為80μm的Ti-45Al-5Nb-0.8Mo-0.3Y鈦鋁預合金粉末置氫處理6h，使Ti-45Al-5Nb-0.8Mo-0.3Y鈦鋁預合金粉末內部置入適量的氫原子；

2)將置氫後的Ti-45Al-5Nb-0.8Mo-0.3Y鈦鋁合金粉末裝填入不鏽鋼包套和控型型芯內，振動緊實；

3)在溫度480℃條件下，對置氫粉末抽真空除氫，在真空度低於0.001Pa下，保持6h。對包套內部抽真空脫氫除氣使粉末內部以氫化物形式存在的氫原子發生一定量的分解析出，破除粉末表面氧化膜，利於後續熱等靜壓緻密化，並降低零件內部最終氧含量；同時，使粉末內部保留一定量的氫原子；

4)將除氣後粉末封焊在不鏽鋼包套和控型型芯內；

5)將封焊後的不鏽鋼包套和控型型芯在溫度1000℃，壓力200MPa，保溫保壓4h條件下，熱等靜壓緻密化；

6)採用機械加工方法去除不鏽鋼包套，採用化學腐蝕或電解腐蝕方式去除控型型芯，得到熱等靜壓緻密化Ti-45Al-5Nb-0.8Mo-0.3Y鈦鋁合金零件；

7)對Ti-45Al-5Nb-0.8Mo-0.3Y鈦鋁合金零件在750℃，真空度小於0.001Pa下抽真空24h，脫去零件內部氫原子，使其含量在允許安全線以下。最終得到氧含量低，組織細小緻密，性能優異的鈦鋁合金零件。

實例3

本發明實施例的一種鈦鋁預合金粉末置氫與兩步除氫熱等靜壓成形方法，運用本發明在較低溫度下製備Ti-45Al-2Mn-2Nb-0.8vol％TiB2鈦鋁預合金熱等靜壓緻密化零件的實施例，具體步驟如下：

1)在溫度800℃，氫分壓4MP條件下對平均晶粒直徑為120μm的Ti-45Al-2Mn-2Nb-0.8vol％TiB2鈦鋁預合金粉末置氫處理1h，使Ti-45Al-2Mn-2Nb-0.8vol％TiB2鈦鋁預合金粉末內部置入適量的氫原子；

2)將置氫後的Ti-45Al-2Mn-2Nb-0.8vol％TiB2鈦鋁合金粉末裝填入不鏽鋼包套和控型型芯內，振動緊實；

3)在溫度420℃條件下，對置氫粉末抽真空除氫，在真空度低於0.001Pa下，保持8h。對包套內部抽真空除氣使粉末內部以氫化物形式存在的氫原子發生一定量的分解析出，破除粉末表面氧化膜，利於後續熱等靜壓緻密化，並降低零件內部最終氧含量；同時，使粉末內部保留一定量的氫原子含量，改善其高溫成形性；

4)將除氣後粉末封焊在不鏽鋼包套和控型型芯內；

5)將封焊後的不鏽鋼包套和控型型芯在溫度1160℃，壓力150MPa，保溫保壓2h條件下，熱等靜壓緻密化；

6)採用機械加工方法去除不鏽鋼包套，採用化學腐蝕或電解腐蝕方式去除控型型芯，得到熱等靜壓緻密化Ti-45Al-2Mn-2Nb-0.8vol％TiB2鈦鋁合金零件；

7)對Ti-45Al-2Mn-2Nb-0.8vol％TiB2鈦鋁合金零件在850℃，真空度小於0.001Pa下抽真空16h，脫去零件內部氫原子，使其含量在允許安全線以下，最終得到氧含量低，組織細小緻密，性能優異的鈦鋁合金零件。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。