一種利用凝膠注模成形制備高致密度鈦或鈦合金的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用凝膠注模成形制備高致密度鈦或鈦合金的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性強(qiáng)等優(yōu)異性能，在航空航天、石油化工、電力、汽車(chē)等行業(yè)應(yīng)用前景廣闊。然而，高成本成為限制其應(yīng)用的關(guān)鍵因素，低成本制備工藝的開(kāi)發(fā)成了鈦合金行業(yè)的研究熱點(diǎn)。
[0003]與傳統(tǒng)熔鑄工藝比較，粉末冶金技術(shù)具有短流程、近凈成形、材料利用率高等優(yōu)勢(shì)，為低成本鈦合金開(kāi)辟出新方向。凝膠注模是一種粉末近凈成形工藝，該工藝基于傳統(tǒng)漿料成形與高分子化學(xué)的有機(jī)結(jié)合，利用可交聯(lián)聚合的有機(jī)單體使?jié){料原位固化形成坯體，經(jīng)脫脂、燒結(jié)得到零件，特別適合于大尺寸、復(fù)雜形狀鈦合金零件的成型。由于低成本要求，傳統(tǒng)凝膠注模成形鈦合金以氫化脫氫鈦粉為原料，由于粉末的形狀不規(guī)則，漿料的固含量很低(325目鈦粉的固含量約為37vol.% )，燒結(jié)密度較低(相對(duì)密度〈95% )，難以滿足應(yīng)用要求。如中國(guó)專利號(hào)N0.200610011526的發(fā)明專利提供了一種復(fù)雜形狀多孔鈦的凝膠注模成型方法，以氫化脫氫鈦粉為原料，適合于成型高孔隙率、高開(kāi)孔率、孔洞宏觀分布均勻的多孔鈦。因此，為了適應(yīng)各行業(yè)對(duì)低成本、大尺寸、復(fù)雜形狀鈦合金承載結(jié)構(gòu)件的需求，需對(duì)凝膠注模成型工藝進(jìn)行改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種利用凝膠注模成形制備高致密度鈦或鈦合金的方法，解決氫化脫氫鈦粉燒結(jié)密度低，無(wú)法應(yīng)用于鈦合金承載結(jié)構(gòu)件的問(wèn)題。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案:
[0006]本發(fā)明提供一種利用凝膠注模成形制備高致密度鈦或鈦合金的方法，包括如下步驟:
[0007](I)配制預(yù)混液:預(yù)混液的化學(xué)成分按體積百分比為:有機(jī)單體甲基丙烯酸β_羥乙酯30-60 %、其余為溶劑甲苯；
[0008](2)配制漿料:將氫化鈦或氫化鈦與合金元素粉末按照鈦合金化學(xué)成分混勻的粉料加入預(yù)混液中配制成低粘度漿料，漿料的固含量為48-52vol.% ;
[0009](3)注模成形:加入引發(fā)劑和催化劑后，將漿料注入模具中，有機(jī)單體經(jīng)交聯(lián)固化形成坯體；
[0010](4)干燥:坯體在真空干燥箱中干燥；
[0011](5)脫脂燒結(jié):坯體經(jīng)流動(dòng)氬氣脫脂后，在1200-1300°C下真空燒結(jié)得到燒結(jié)體；
[0012](6)熱等靜壓處理:將燒結(jié)體進(jìn)行熱等靜壓處理，得到相對(duì)密度>99.5 %的高致密度鈦或鈦合金零件。
[0013]所述步驟(2)中，氫化鈦、合金元素粉末的平均粒度為30-50μηι。
[0014]所述步驟(3)中，引發(fā)劑添加量為氫化鈦或氫化鈦與合金元素粉末總質(zhì)量的0.5-1 % ;催化劑添加量為預(yù)混液體積的1-1.5%。
[0015]所述步驟(4)中，干燥溫度為50_70°C，干燥時(shí)間4_8h。
[0016]所述步驟(5)中，流動(dòng)氬氣脫脂溫度為400-500°C，脫脂時(shí)間為3_5h。
[0017]所述步驟(5)中，真空燒結(jié)溫度為1200-1300°C，燒結(jié)時(shí)間為2_3h。
[0018]所述步驟(5)中，真空燒結(jié)所得燒結(jié)體的相對(duì)密度大于95%。
[0019]所述步驟(6)中，熱等靜壓處理為在950-1000°C、120-200MPa條件下的無(wú)包套熱等靜壓處理。
[0020]所述步驟(6)中，制備得到的高致密度鈦或鈦合金零件的相對(duì)密度為99.9%。
[0021 ]所述方法適合于大尺寸、復(fù)雜形狀、高致密度鈦或鈦合金產(chǎn)品的制備。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0023]1、與以鈦粉為原料相比，氫化鈦粉末漿料的固相含量高，有利于獲得高燒結(jié)密度，且在燒結(jié)過(guò)程中，氫化鈦脫氫形成的新鮮鈦表面活性很高，益于表面原子的擴(kuò)散，同樣能夠促進(jìn)燒結(jié)密度的提高，因而通過(guò)真空燒結(jié)可獲得相對(duì)密度>95%的閉孔隙燒結(jié)體；
[0024]2、通過(guò)熱等靜壓處理，可使燒結(jié)體中的殘余孔隙閉合，達(dá)到致密度高(相對(duì)密度大于99.5 % )的鈦或鈦合金產(chǎn)品。且該熱等靜壓處理過(guò)程無(wú)需包套，成本低、適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0025]本發(fā)明利用凝膠注模成形制備高致密度鈦或鈦合金的方法首先將有機(jī)單體甲基丙烯酸羥乙酯與溶劑甲苯配置成預(yù)混液，加入純氫化鈦或氫化鈦與合金元素的混合粉末配置成漿料，加入引發(fā)劑過(guò)氧化苯甲酰及催化劑二甲基苯胺，固化后即得坯體，經(jīng)干燥、脫月旨、真空燒結(jié)得到相對(duì)密度大于95%的燒結(jié)體，然后進(jìn)行無(wú)包套熱等靜壓處理，得到致密度高(相對(duì)密度大于99.5%)的鈦或鈦合金零件。
[0026]本發(fā)明提供一種利用凝膠注模成形制備高致密度鈦或鈦合金的方法，包括如下步驟:
[0027](I)配制預(yù)混液:將有機(jī)單體甲基丙烯酸β-羥乙酯與溶劑甲苯按比例30-60%:40-70%配制成預(yù)混液；
[0028](2)配制楽料:將平均粒度為30-50μηι的純氫化鈦或氫化鈦與合金元素粉末按照鈦合金化學(xué)成分混勻的粉料加入預(yù)混液中配制成低粘度漿料，漿料的固含量為48-52vol.% ;
[0029](3)注模成形:加入純氫化鈦或氫化鈦粉末與合金元素粉末總質(zhì)量的0.5_lwt.%比例的引發(fā)劑及預(yù)混液體積1-1.5%比例的催化劑后，漿料注入模具中，有機(jī)單體經(jīng)交聯(lián)固化形成坯體；
[0030](4)干燥:坯體在真空干燥箱中于50_70°C干燥4_8h;
[0031](5)脫脂燒結(jié):坯體經(jīng)400-500°C流動(dòng)氬氣脫脂3-5h后在1200-1300°C真空燒結(jié)2-3h得到相對(duì)密度大于95%的燒結(jié)體；
[0032](6)熱等靜壓處理:在950-1000°C、120-200MPa條件下，進(jìn)行熱等靜壓處理，得到致密度高的鈦或鈦合金零件，相對(duì)密度>99.5%。
[0033]所述步驟(6)中，熱等靜壓處理為無(wú)包套熱等靜壓處理。
[0034]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。
[0035]實(shí)施例1-凝膠注模成形高致密度TC4鈦合金葉輪
[0036]1、將有機(jī)單體甲基丙烯酸β-輕乙酯與溶劑甲苯按比例30%:70%配置成預(yù)混液；
[0037]2、將平均粒度為50μπι的氫化鈦粉末與平均粒度為30μπι的鋁釩合金粉按T1-6A1_4V的配方混合均勻，然后將混合粉加入預(yù)混液中配置成低粘度漿料，漿料的固含量為52vol.% ；
[0038]3、加入混合粉末質(zhì)量0.5wt.%比例的引發(fā)劑及預(yù)混液體積1.5%比例的催化劑后，漿料注入葉輪模具中，有機(jī)單體經(jīng)交聯(lián)固化形成葉輪坯體；
[0039]4、葉輪坯體在真空干燥箱中于50°C干燥8h;
[0040]5、葉輪坯體經(jīng)400°C流動(dòng)氬氣脫脂5h后在1200°C真空燒結(jié)3h得到相對(duì)密度為95.8%的葉輪燒結(jié)體；
[0041 ] 6、在950°C、200MPa條件下，進(jìn)行無(wú)包套熱等靜壓處理，得到致密度高的鈦葉輪，相對(duì)密度為99.9%。
[0042]實(shí)施例2-凝膠注模成形高致密度純鈦門(mén)把手
[0043]1、將有機(jī)單體甲基丙烯酸β-輕乙酯與溶劑甲苯按比例60%:40%配置成預(yù)混液；
[0044]2、將平均粒度為30μπι的氫化鈦粉末加入預(yù)混液中配置成低粘度漿料，漿料的固含量為 48νο1.%;
[0045]3、加入氫化鈦粉末質(zhì)量Iwt.%比例的引發(fā)劑及預(yù)混液體積I %比例的催化劑后，漿料注入門(mén)把手模具中，有機(jī)單體經(jīng)交聯(lián)固化形成門(mén)把手坯體；
[0046]4、門(mén)把手坯體在真空干燥箱中于70°C干燥4h;
[0047]5、門(mén)把手坯體經(jīng)500°C流動(dòng)氬氣脫脂3h后在1300°C真空燒結(jié)2h得到相對(duì)密度為97.5%的門(mén)把手燒結(jié)體；
[0048]6、在1000°C、120MPa條件下，進(jìn)行無(wú)包套熱等靜壓處理，得到致密度高的純鈦門(mén)把手，相對(duì)密度為99.9%。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種利用凝膠注模成形制備高致密度鈦或鈦合金的方法，其特征在于:該方法包括如下步驟: (1)配制預(yù)混液:預(yù)混液的化學(xué)成分按體積百分比為:有機(jī)單體甲基丙烯酸β-羥乙酯30-60%、其余為溶劑甲苯； (2)配制漿料:將氫化鈦或氫化鈦與合金元素粉末按照鈦合金化學(xué)成分混勻的粉料加入預(yù)混液中配制成低粘度漿料，漿料的固含量為48-52vol.% ; (3)注模成形:加入引發(fā)劑和催化劑后，將漿料注入模具中，有機(jī)單體經(jīng)交聯(lián)固化形成坯體； (4)干燥:坯體在真空干燥箱中干燥； (5)脫脂燒結(jié):坯體經(jīng)流動(dòng)氬氣脫脂后，在1200-1300°C下真空燒結(jié)得到燒結(jié)體； (6)熱等靜壓處理:將燒結(jié)體進(jìn)行熱等靜壓處理，得到相對(duì)密度>99.5 %的高致密度鈦或鈦合金零件。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用凝膠注模成形制備高致密度鈦或鈦合金的方法，其特征在于:所述步驟(2)中，氫化鈦、合金元素粉末的平均粒度為30-50μπι。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用凝膠注模成形制備高致密度鈦或鈦合金的方法，其特征在于:所述步驟(3)中，引發(fā)劑添加量為氫化鈦或氫化鈦與合金元素粉末總質(zhì)量的0.5-1%;催化劑添加量為預(yù)混液體積的1-1.5%。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用凝膠注模成形制備高致密度鈦或鈦合金的方法，其特征在于:所述步驟(4)中，干燥溫度為50-70°C，干燥時(shí)間4-8h。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用凝膠注模成形制備高致密度鈦或鈦合金的方法，其特征在于:所述步驟(5)中，流動(dòng)氬氣脫脂溫度為400-500°C，脫脂時(shí)間為3-5h。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用凝膠注模成形制備高致密度鈦或鈦合金的方法，其特征在于:所述步驟(5)中，真空燒結(jié)溫度為1200-1300°C，燒結(jié)時(shí)間為2-3h。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用凝膠注模成形制備高致密度鈦或鈦合金的方法，其特征在于:所述步驟(5)中，真空燒結(jié)所得燒結(jié)體的相對(duì)密度大于95%。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用凝膠注模成形制備高致密度鈦或鈦合金的方法，其特征在于:所述步驟(6)中，熱等靜壓處理為在950-1000°C、120-200MPa條件下的無(wú)包套熱等靜壓處理。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用凝膠注模成形制備高致密度鈦或鈦合金的方法，其特征在于:所述步驟(6)中，制備得到的高致密度鈦合金零件的相對(duì)密度為99.9%。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用凝膠注模成形制備高致密度鈦或鈦合金的方法，其特征在于:所述方法適合于大尺寸、復(fù)雜形狀、高致密度鈦或鈦合金產(chǎn)品的制備。
【專利摘要】本發(fā)明屬于粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用凝膠注模成形制備高致密度鈦或鈦合金的方法。該方法首先將有機(jī)單體甲基丙烯酸β-羥乙酯與溶劑甲苯配置成預(yù)混液，加入純氫化鈦或氫化鈦與合金元素的混合粉末配置成漿料，加入引發(fā)劑過(guò)氧化苯甲酰及催化劑二甲基苯胺，固化后即得坯體，經(jīng)干燥、脫脂、真空燒結(jié)得到相對(duì)密度大于95％的燒結(jié)體，然后進(jìn)行無(wú)包套熱等靜壓處理，得到高致密度(相對(duì)密度大于99.5％)的鈦合金零件。本發(fā)明成本低、適合于大尺寸、復(fù)雜形狀、高致密度鈦或鈦合金產(chǎn)品的制備；適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
【IPC分類】B22F3/22, C22C14/00, B22F3/04, B22F3/10, C22C1/05
【公開(kāi)號(hào)】CN105543526
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201511026409
【發(fā)明人】葉青, 陳宏霞, 張德明, 章萬(wàn)千, 郭志猛
【申請(qǐng)人】中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司, 新冶高科技集團(tuán)有限公司
【公開(kāi)日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2015年12月31日