一種利用氫化鈦粉末制備鈦制品的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制備鈦制品的方法，具體涉及一種利用氫化鈦粉末制備鈦制品的方法，屬于有色金屬加工技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦及鈦合金作為一種重要的有色金屬材料，因其密度低，比強(qiáng)度高，耐腐蝕性能、高溫力學(xué)性能、抗疲勞和蠕變性能好等特點(diǎn)，近年來，在航空航天飛行器、艦艇及兵器等軍品制造中的應(yīng)用日益廣泛。此外，鈦在汽車、醫(yī)療、化工、能源和日常消費(fèi)等行業(yè)也有著巨大的應(yīng)用潛力，因此，鈦也被稱為“正在崛起的第三金屬”和“21世紀(jì)金屬”。
[0003]然而，由于鈦的化學(xué)活性高，冶煉難度大，能耗高，且其冷加工性能較差，從而導(dǎo)致鈦的生產(chǎn)成本較高，限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用范圍。在鈦的總成本中，加工成本占到最終成品的價(jià)格的60%以上，為了降低生產(chǎn)成本，具有近凈成形特點(diǎn)的粉末冶金工藝受到了廣泛的關(guān)注。粉末冶金在零部件制造方面具有組織細(xì)小均勻、成分可控、節(jié)省原料等一系列優(yōu)點(diǎn)，是制造低成本鈦合金的理想工藝之一。目前用于粉末冶金生產(chǎn)的鈦粉的制備方法主要包括氫化脫氫法(HDH)，等離子旋轉(zhuǎn)電極法(PREP)和霧化法(GA)。但由于鈦粉具有較高的活性，容易氧化和與其他元素發(fā)生反應(yīng)，因此，目前高純度的鈦粉價(jià)格仍然較高。
[0004]近些年來，利用氫化鈦為原料制備鈦制品的研究已經(jīng)有了一些報(bào)道，采用氫化鈦直接制備鈦制品可以減少原料成本，縮減工藝流程，提高燒結(jié)致密度。目前的研究主要集中在利用氫化鈦的易碎性制備超細(xì)結(jié)構(gòu)鈦制品，利用脫氫后的原位反應(yīng)制備鈦基復(fù)合材料及增強(qiáng)相，利用脫氫過程中氫的排出制備多孔材料等。但是，這些工藝方法所使用的脫氫過程中所需的時(shí)間較長，后續(xù)加工處理過程中氧等雜質(zhì)的引入仍是亟需解決的問題。
[0005]目前，工業(yè)上用于粉末冶金制備鈦制品的原材料粉末多采用氫化脫氫(Hydrogenat1n Dehydrogenat1n, HDH)的方法獲得(旋轉(zhuǎn)電極法，霧化法制備的鈦粉成本很高，其用途多局限于實(shí)驗(yàn)室及對成本敏感度較低的行業(yè)，不適合工業(yè)化生產(chǎn))，其流程如圖1所示。原料海綿鈦經(jīng)氫化后脆性變大，容易被機(jī)械破碎成細(xì)小顆粒，然后通過在高溫下脫氫即可制備出純鈦粉。但是脫氫過程所需要的時(shí)間較長，通常為幾小時(shí)至十幾小時(shí)。此夕卜，由于鈦的化學(xué)活性很高，很容易在高溫下與環(huán)境中的H、0、C、N等雜質(zhì)元素發(fā)生反應(yīng)，因此在鈦粉生產(chǎn)過程中對周圍環(huán)境的要求嚴(yán)苛，高純度的HDH鈦粉成本依舊較高。
[0006]鈦粉在后續(xù)加工固結(jié)成件的過程不可避免的會與周圍環(huán)境中的雜質(zhì)元素相接觸，從而相互發(fā)生反應(yīng)，降低產(chǎn)品性能(H、0、C、N等元素容易擴(kuò)散至鈦的晶格間隙中，造成鈦的塑形降低)。目前研究中，利用氫化鈦為原料通過脫氫制備出的鈦制品由于氫以氫氣的形式的析出，容易在材料內(nèi)部形成孔洞，造成最終產(chǎn)品的致密度較低，多用于制備醫(yī)療用多孔材料。鈦的塑形較強(qiáng)，冷加工性能差，后續(xù)機(jī)械加工困難，使得鈦的零部件成本進(jìn)一步增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的所要解決的技術(shù)問題是:
[0008]1.如何簡化工藝，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)減少加工過程中雜質(zhì)元素的引入對最終產(chǎn)品的影響。
[0009]2.如何快速將氫化鈦中的氫脫除，使材料中的氫含量降低至可接受范圍內(nèi)。
[0010]3.如何利用氫化鈦為原料制備出具有高致密度的鈦制品。
[0011]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明利用感應(yīng)加熱的方法將氫化鈦粉末壓坯快速加熱至較高的溫度，進(jìn)行脫氫處理同時(shí)發(fā)生燒結(jié)，隨后立即進(jìn)行擠壓，在這個(gè)過程中氫化鈦粉末壓坯首先脫氫并燒結(jié)轉(zhuǎn)變成鈦粉末燒結(jié)坯，隨后鈦粉末燒結(jié)坯在熱擠壓過程中進(jìn)一步脫氫，致密化，固結(jié)與成形，在較短的時(shí)間內(nèi)制成高致密度鈦型材。該工藝縮短了工藝流程，避免了后續(xù)加工過程中雜質(zhì)的引入，最終成功制備出具有高致密度，低氫、氧含量，高力學(xué)性能的鈦擠壓棒材和具有其它橫截面形狀的型材。具體技術(shù)方案如下:
[0012]一種利用氫化鈦粉末制備鈦制品的方法，包括如下步驟:
[0013](I)制坯:將氫化鈦粉末通過模壓制成坯材；
[0014](2)脫氫:在保護(hù)氣氛下對坯材進(jìn)行加熱，升溫速率維持在50_200°C /分鐘，直至坯材溫度升至900-1200°C，保溫5-20分鐘；
[0015](3)成形:將加熱后的坯材移入擠壓裝置中，在一定的壓強(qiáng)及擠壓比下進(jìn)行擠壓，使坯材通過具有特定內(nèi)腔形狀的擠壓模具而成形固結(jié)得到鈦制品；
[0016](4)冷卻:擠壓完成后，將鈦制品在10-100°C /分鐘的速度下冷卻至室溫，隨后取出。
[0017]優(yōu)選地，步驟(2)中采用感應(yīng)加熱線圈對坯材進(jìn)行加熱方式。加熱方式根據(jù)氫化鈦坯材大小可采用低、中、高頻感應(yīng)加熱，也可采用具有快速加熱能力的微波加熱或其他加熱方法。
[0018]優(yōu)選地，步驟(2)中保護(hù)氣氛選用氬氣，氬氣中氧含量低于lOOppm。除了氬氣，也可采用其他不與鈦發(fā)生反應(yīng)的惰性氣體進(jìn)行保護(hù)，或在真空條件下進(jìn)行。
[0019]優(yōu)選地，步驟(3)中擠壓速率為15mm/s。擠壓方式除了直筒式擠壓，也可采用具有相似作用的等角擠壓(ECAP)、臥式擠壓、熱壓等多種致密化方式。固結(jié)方式可采用鍛造、乳制等替代擠壓。
[0020]優(yōu)選地，步驟(3)中擠壓裝置和擠壓模具溫度保持在450_550°C之間。
[0021]優(yōu)選地，步驟(3)中壓強(qiáng)在50_300MPa之間，擠壓比在5:1-100:1之間。
[0022]優(yōu)選地，步驟(3)中擠壓模具形狀根據(jù)鈦制品要求確定。
[0023]優(yōu)選地，步驟(3)加熱及擠壓過程在密封環(huán)境中進(jìn)行，向密封環(huán)境中持續(xù)通入氬氣，確保密封環(huán)境中氧含量不高于lOOppm。密封環(huán)境需要方便操作，例如，選用手套箱。
[0024]優(yōu)選地，制備鈦制品的整個(gè)工藝過程不超過30分鐘。
[0025]優(yōu)選地，冷卻方式為自然冷卻。除此以外，水淬或油淬也可。
[0026]利用上述方法，可向氫化鈦中加入一些增強(qiáng)相制備相應(yīng)的鈦基復(fù)合材料。
[0027]本發(fā)明的有益效果是:
[0028]1.原料成本低，采用氫化脫氫的中間產(chǎn)物氫化鈦粉為原料。
[0029]2.脫氫速度快，在30分鐘內(nèi)氫化鈦中的氫即可基本脫除，氫含量從原始?xì)浠伒?.32wt %降低至0.09wt %，圖3為本發(fā)明制備的欽制品脫氣BU后XRD物相對比，可以看出氣化鈦已經(jīng)完全轉(zhuǎn)變?yōu)榧冣仭?br>[0030]3.生產(chǎn)效率高，氫化鈦的脫氫與固結(jié)成型過程相結(jié)合，簡化了工藝流程，在30分鐘內(nèi)即可制備出具有高致密度與高力學(xué)性能的鈦制品。所得材料的致密度大于99%，且性能比普通鑄錠冶金鈦強(qiáng)度更高，塑性相似。
[0031]4.減少了雜質(zhì)元素與鈦反應(yīng)的過程與時(shí)間，且最終產(chǎn)品中氧含量相比原材料更低。
[0032]5.工藝流程簡單，具有規(guī)?；a(chǎn)的潛力。
[0033]以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
【附圖說明】
[0034]圖1為現(xiàn)有技術(shù)制備欽制品的工藝路線圖；
[0035]圖2為本發(fā)明制備鈦制品的工藝路線圖；
[0036]圖3為本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例制得鈦制品的X射線衍射圖；
[0037]圖4為本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例制得鈦制品的拉伸曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0038]本發(fā)明采用氫化脫氫過程中的中間產(chǎn)物氫化鈦為原料進(jìn)行粉末冶金鈦件的制備，跳過了氫化鈦脫氫生產(chǎn)純鈦粉末這一步驟，使得原料成本相對于脫氫后的鈦粉大大降低。同時(shí)，也避免了脫氫過程中鈦與周圍環(huán)境中的雜質(zhì)元素反應(yīng)，使得最終產(chǎn)品中雜質(zhì)元素含量減少。本發(fā)明的主要工藝步驟如圖2所示。
[0039]本發(fā)明的采用的技術(shù)手段與特征如下。
[0040]A.將氫化鈦粉末通過模壓制成粉末壓坯。
[0041]上述步驟A的主要特征與作用如下:
[0042]該步驟制備的壓坯密度應(yīng)在75% -95%之間，可在室溫至300°C范圍內(nèi)進(jìn)行壓制。
[0043]B.利用感應(yīng)加熱線圈對氫化鈦粉末壓坯在氬氣保護(hù)下(氬氣中氧含量低于10ppm)進(jìn)行加熱，升溫速率維持在50-200°C /分鐘，直至粉末壓坯溫度升900°C -1200°C，并在選定的溫度下保溫5分鐘至20分鐘。
[0044]上述步驟B為本發(fā)明的核心步驟之一，其主要特征與作用如下:
[0045]1.采用感應(yīng)加熱線圈對氫化鈦壓坯進(jìn)行加熱，其特征是加熱速度快，可快速將氫化鈦壓坯加熱至擠壓溫度，氫化鈦的脫氫效果在高溫下更好，從而加快了脫氫速率(即本發(fā)明中的快速脫氫)，同時(shí)脫氫時(shí)間的減少也降低了脫氫后鈦與環(huán)境中雜質(zhì)元素的反應(yīng)時(shí)間。此步的主要特點(diǎn)是快速加熱，根據(jù)樣品的大小可采取低頻、中頻或高頻感應(yīng)加熱方式，只要加熱速率滿足要求即可。同時(shí)，能夠快速升溫的微波加熱也可以作為替代加熱方式。
[0046]2.加熱溫度與保溫時(shí)間根據(jù)具體情況而定，在越低的溫度下所需的保溫時(shí)間越長，以保證氫能夠完全脫除為基本要求。
[0047]3.將氫化鈦的脫氫過程與擠壓前的加熱過程相結(jié)合，一是簡化了流程，二是降低了最終材料中的氧含量。