權(quán)利要求

1.提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，其特征在于，包括以下步驟：將鈦合金粉末依次經(jīng)過(guò)成型處理、燒結(jié)致密化和熱處理得到鈦合金制品； 所述燒結(jié)態(tài)鈦合金的氧含量為0.3~0.5wt.%； 所述熱處理工藝為真空度為小于等于10 -2Pa，首先以5~10℃/min升溫至β相變點(diǎn)以下50～100℃保溫1～4小時(shí)，隨后爐冷到β相變點(diǎn)以下200~300℃，保溫10~30min，最后空冷至室溫； 所述鈦合金制品的延伸率為大于等于15%。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，其特征在于；所述鈦合金粉末由氫化脫氧法、氣霧化法、等離子旋轉(zhuǎn)電極法中的一種制備而得。 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，其特征在于；所述鈦合金粉末的牌號(hào)為α+β型雙相鈦合金TC4、TC6、TC8、TC9、TC11、TC15~TC21的中任一一種。 

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，其特征在于；所述成型處理為模壓成形、冷等靜壓、注射成形中任一一種。 

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，其特征在于；所述模壓成形的成型壓力為300~600MPa，保壓時(shí)間為30~60min；所述冷等靜壓的成型壓力為300~500MPa，保壓時(shí)間為30~50min；所述注射成形的注射溫度為120~150℃、注射壓力為70~130MPa。 

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，其特征在于；所述燒結(jié)處理為真空燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、等離子放電燒結(jié)中任一一種。 

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，其特征在于；所述真空燒結(jié)的真空度為小于等于10 -3Pa，燒結(jié)溫度為1200~1300℃，保溫時(shí)間為1~4h；所述熱等靜壓燒結(jié)的保護(hù)氣氛為氬氣，燒結(jié)溫度為900~1000℃，保溫時(shí)間為0.5~2h，保壓壓力為100~300MPa；所述等離子放電燒結(jié)的的保護(hù)氣氛為氬氣，燒結(jié)溫度為900~1000℃，保溫時(shí)間為20~40min，保壓壓力為50~150MPa。 8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，其特征在于；所述鈦合金制品的抗拉強(qiáng)度大于等于850MPa，孔隙率小于等于3%。

說(shuō)明書(shū)

提高粉末冶金鈦合金塑性的方法

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種提高鈦合金塑性的方法，尤其涉及提高粉末冶金鈦合金塑性的方法。

背景技術(shù)

鈦及鈦合金密度小、比強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫，是理想的航空航天材料；因其具有良好的耐腐蝕、生物兼容性能，成為航海、石油化工、醫(yī)療等行業(yè)的理想材料，被譽(yù)為“現(xiàn)代金屬”、“第三金屬”、“戰(zhàn)略金屬”等。用鍛造法生產(chǎn)鈦合金，其性能優(yōu)良，但工藝復(fù)雜、成材率低、產(chǎn)品成本高且難以獲得形狀復(fù)雜的產(chǎn)品；鑄造法雖可獲得結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件，成本較低，但鑄造過(guò)程中的鑄造缺陷導(dǎo)致產(chǎn)品的性能不高；粉末冶金技術(shù)可在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的粉末致密化，且性能優(yōu)越，能夠達(dá)到鍛件水平，該方法材料利用率超過(guò)90%，使得該技術(shù)受到國(guó)內(nèi)外航空界的特別關(guān)注。

由于鈦對(duì)碳、氮、氧等雜質(zhì)的親和力很強(qiáng)，粉末狀態(tài)下這種親和力會(huì)進(jìn)一步加劇，而雜質(zhì)元素特別是氧嚴(yán)重影響燒結(jié)鈦及其合金的致密度和力學(xué)性能。氧在欽中形成間隙固溶體，產(chǎn)生晶格畸變，對(duì)在滑移面上運(yùn)動(dòng)著的位錯(cuò)有阻礙作用，從而提高強(qiáng)度。0.05wt.%的氧能使鈦的抗拉強(qiáng)度提高50~60MPa，但超過(guò)一定量時(shí)將大幅降低其塑性和韌性及沖擊強(qiáng)度，當(dāng)氧含量超過(guò)0.3wt.%時(shí)，鈦合金的延伸率小于5%，當(dāng)氧含量達(dá)到0.5wt.%，延伸率降低到2%以下。這極大阻礙了粉末冶金鈦合金的應(yīng)用和發(fā)展。研發(fā)出一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法是一項(xiàng)重要而緊迫的課題。

長(zhǎng)安大學(xué)的趙泰陽(yáng)提出了一種高強(qiáng)度、高塑性的粉末冶金鈦合金及其加工方法，高氧錠坯經(jīng)過(guò)三鐓三拔開(kāi)坯鍛造、三鐓三拔鍛造、棒材軋制和退火熱處理，獲得了一種非均質(zhì)層狀多級(jí)第二相組織，使合金具備良好的高強(qiáng)度、高塑性匹配；本發(fā)明的高強(qiáng)度、高塑性的粉末冶金鈦合金，內(nèi)部呈非均質(zhì)層狀多級(jí)第二相組織，非均質(zhì)層狀細(xì)晶組織中的層狀結(jié)構(gòu)能增強(qiáng)合金結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，層狀結(jié)構(gòu)能容納應(yīng)變，從而使合金保持高韌性和高塑性（CN112725713A）。太原理工大學(xué)的郭瑞鵬公開(kāi)了一種高性能粉末冶金鈦合金的分步熱等靜壓制備方法，首先將裝有鈦合金粉末的包套在850-900℃，>100MPa壓力下進(jìn)行預(yù)成型，然后在920-970℃，>100MPa壓力下成型。分步熱等靜壓工藝可以有效破碎鈦合金粉末表面的氧化膜，提高粉末冶金鈦合金顯微組織的穩(wěn)定性，等軸晶的體積分?jǐn)?shù)在20%-60%之間連續(xù)可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)粉末構(gòu)件的組織調(diào)控；同時(shí)可以顯著改善粉末冶金鈦合金的塑性和高周疲勞性能（CN111347045A）。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所的趙子博公開(kāi)了一種高溫、高強(qiáng)鈦合金及其加工方法，合金材料可通過(guò)熔煉法和粉末冶金燒結(jié)法獲得，隨后通過(guò)熱變形和熱處理工藝組合獲得鍛件產(chǎn)品，采用上述工藝制備得到的鍛件為雙態(tài)組織，材料在室溫至700℃范圍內(nèi)均具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性，可用于制作航空航天關(guān)鍵部件在600～700℃長(zhǎng)時(shí)使用，也可用于航天飛行器等耐溫結(jié)構(gòu)件在700～750℃短時(shí)使用（CN112195364A）。這些方法雖然對(duì)延伸率有一定改善，但都存在工藝復(fù)雜、成本高、塑性提高不明顯等缺陷，難以工業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，采用分步熱處理技術(shù)大幅提高高氧含量（0.3~0.5wt.%）鈦合金胚料的延伸率，此方法性能優(yōu)異、工藝簡(jiǎn)單、適合大規(guī)模生產(chǎn)，克服了上述工藝的缺點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，包括以下步驟：將鈦合金粉末依次經(jīng)過(guò)成型處理、燒結(jié)致密化和熱處理得到鈦合金制品；

所述燒結(jié)態(tài)鈦合金的氧含量為0.3~0.5wt.%；

所述熱處理工藝為真空度為小于等于10 -2Pa，首先以5~10℃/min升溫至β相變點(diǎn)以下50～100℃保溫1～4小時(shí)，隨后爐冷到β相變點(diǎn)以下200~300℃，保溫10~30min，最后空冷至室溫；

所述鈦合金制品的延伸率為大于等于15%。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，所述鈦合金粉末由氫化脫氧法、氣霧化法、等離子旋轉(zhuǎn)電極法中的一種制備而得。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，所述鈦合金粉末的牌號(hào)為α+β型雙相鈦合金TC4、TC6、TC8、TC9、TC11、TC15~TC21的中任一一種。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，所述成型處理為模壓成形、冷等靜壓、注射成形中任一一種。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，所述模壓成形的成型壓力為300~600MPa，保壓時(shí)間為30~60min；所述冷等靜壓的成型壓力為300~500MPa，保壓時(shí)間為30~50min；所述注射成形的注射溫度為120~150℃、注射壓力為70~130MPa。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，所述燒結(jié)處理為真空燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、等離子放電燒結(jié)中任一一種。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，所述真空燒結(jié)的真空度為小于等于10 -3Pa，燒結(jié)溫度為1200~1300℃，保溫時(shí)間為1~4h；所述熱等靜壓燒結(jié)的保護(hù)氣氛為氬氣，燒結(jié)溫度為900~1000℃，保溫時(shí)間為0.5~2h，保壓壓力為100~300MPa；所述等離子放電燒結(jié)的的保護(hù)氣氛為氬氣，燒結(jié)溫度為900~1000℃，保溫時(shí)間為20~40min，保壓壓力為50~150MPa。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，所述鈦合金制品的抗拉強(qiáng)度大于等于850MPa，孔隙率小于等于3%。

原理與優(yōu)勢(shì)

針對(duì)因氧含量高導(dǎo)致燒結(jié)態(tài)鈦合金胚料塑性差（1~4%）的問(wèn)題，本發(fā)明首次通過(guò)分步熱處理技術(shù)大幅提高其延伸率，且對(duì)制品的強(qiáng)度和致密度并沒(méi)有明顯惡化，獲得性能優(yōu)越的鈦合金產(chǎn)品。本發(fā)明在技術(shù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，嘗試只采用一步熱處理的方案，但其無(wú)論如何優(yōu)化，所得產(chǎn)品的性能還是不理想。在此基礎(chǔ)上，發(fā)明人進(jìn)一步嘗試采用了分步熱處理工藝，發(fā)現(xiàn)在工藝參數(shù)優(yōu)化后，所得產(chǎn)品的性能得到明顯提升。

鈦合金的最終性能是由顯微組織的形態(tài)決定的，不同的組織對(duì)應(yīng)于不同的力學(xué)性能，而微觀組織形態(tài)主要取決于合金的化學(xué)成分和制備工藝。在化學(xué)成分基本不變的情況下，鈦合金的最終性能由制備工藝決定。兩相鈦合金燒結(jié)態(tài)組織為魏氏組織，它由α相集束+α相晶界+層間β相組成，由于其原始β晶粒比其他類型的組織粗大，且存在連續(xù)α晶界的緣故，其塑性較低，一般在5~10%左右。但當(dāng)氧含量超過(guò)3000ppm，甚至達(dá)到5000ppm時(shí)，由于氧是一種有效的α相穩(wěn)定元素，一方面，氧含量的增加可以促進(jìn)了Ti 3Al在晶內(nèi)或晶界上的析出，另一方面可以在β相中產(chǎn)生細(xì)小的針狀α相。這兩方面導(dǎo)致鈦合金的塑性大幅降低。

熱處理工藝成為改變鈦合金組織，提升力學(xué)性能不可或缺的方法。分步熱處理技術(shù)是由一次加熱、二次保溫和二次隨爐冷卻過(guò)程組成。具體為將鈦合金燒結(jié)胚置于真空熱處理爐內(nèi)，在真空度小于等于10 -2Pa的環(huán)境內(nèi)，首先以5~10℃/min升溫至β相變點(diǎn)以下50～100℃保溫1～4小時(shí)，隨后爐冷到β相變點(diǎn)以下200~300℃，保溫10~30min，最后空冷至室溫。加熱到β相變點(diǎn)以下50~100℃，保溫一定時(shí)間，是為使針狀α相盡可能多的轉(zhuǎn)變成β相，Ti 3Al相中的Al原子向基體擴(kuò)散盡可能減少此第二相的數(shù)量，然后降低100~200℃并持續(xù)一段時(shí)間的爐冷是為了不增加晶粒尺寸的前提下，獲得更多的相轉(zhuǎn)變擴(kuò)散時(shí)間，最后快速冷卻使高溫組織得以保留。經(jīng)分布熱處理后，Ti 3Al相和針狀α相得到基本消除，且晶粒尺寸并未明顯長(zhǎng)大，這是高氧鈦合金熱處理后塑性提高的原因。本發(fā)明通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，確定了分步熱處理的工藝參數(shù)，在上述的工藝參數(shù)下，可以獲得性能優(yōu)異的鈦合金制品。

本發(fā)明采用分步熱處理技術(shù)制備出性能優(yōu)異、工藝簡(jiǎn)單、適合大規(guī)模生產(chǎn)的粉末冶金鈦合金制品。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)如下：

1）性能優(yōu)異。延伸率優(yōu)于同類產(chǎn)品50%以上；

2）工藝簡(jiǎn)單。不涉及熱變形加工等復(fù)雜工序；

3）易于批量生產(chǎn)。生產(chǎn)效率是現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)2~3倍。

綜上所述，本發(fā)明采用分步熱處理技術(shù)提高了高氧含量鈦合金的塑性，減少了生產(chǎn)工序，具有綜合性能優(yōu)異、生產(chǎn)效率高、易于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中產(chǎn)品性能低、生產(chǎn)效率低、成本高昂等問(wèn)題，能很好的滿足粉末冶金鈦合金的需求。

附圖說(shuō)明

圖1是粉末冶金鈦合金制品的掃描電鏡照片。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合三個(gè)實(shí)例對(duì)本發(fā)明方法作進(jìn)一步說(shuō)明。

根據(jù)設(shè)計(jì)成分制備出鈦合金粉末，依次經(jīng)過(guò)成型處理、燒結(jié)致密化和熱處理得到鈦合金制品。

實(shí)施例1：

一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，其過(guò)程如下：

A、粉末制備：使用氣霧化法制備出TC4鈦合金粉末；

B、成型處理：將稱量好的原料粉末放入模具中，使用400MPa成型壓力保壓45min得到毛胚；

C、燒結(jié)致密化：將毛胚放入熱等靜壓機(jī)中，在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行致密化處理，燒結(jié)溫度為1000℃，保溫時(shí)間為1h，燒結(jié)胚氧含量為0.35wt.%；

D、熱處理：在真空熱處理爐中，真空度為小于等于10 -2Pa，首先以5℃/min升溫至β相變點(diǎn)以下50℃保溫2小時(shí)，隨后爐冷到β相變點(diǎn)以下200℃，保溫10min，最后空冷至室溫；

E、性能檢測(cè)：檢測(cè)其力學(xué)性能，結(jié)果如下：抗拉強(qiáng)度872MPa、伸長(zhǎng)率15.5%。

實(shí)施例2：

一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，其過(guò)程如下：

A、粉末制備：使用等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備出TC21鈦合金粉末；

B、成型處理：將稱量好的原料粉末放入冷等靜壓機(jī)的包套中，使用400MPa成型壓力保壓35min得到毛胚；

C、燒結(jié)致密化：將毛胚放入等離子放電機(jī)中，在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行致密化處理，燒結(jié)溫度為1000℃，保溫時(shí)間為25min，燒結(jié)胚氧含量為0.4wt.%；

D、熱處理：在真空熱處理爐中，真空度為小于等于10 -2Pa，首先以5℃/min升溫至β相變點(diǎn)以下100℃保溫1.5小時(shí)，隨后爐冷到β相變點(diǎn)以下250℃，保溫20min，最后空冷至室溫；

E、性能檢測(cè)：檢測(cè)其力學(xué)性能，結(jié)果如下：抗拉強(qiáng)度903MPa、伸長(zhǎng)率16.2%。

實(shí)施例3：

一種提高粉末冶金鈦合金塑性的方法，其過(guò)程如下：

A、粉末制備：使用氫化脫氧法制備出TC11鈦合金粉末；

B、成型處理：將稱量好的原料粉末與粘結(jié)劑混合制成喂料，在注射成形機(jī)上得到毛坯，注射溫度為120℃、注射壓力為110MPa；

C、燒結(jié)致密化：將毛胚先經(jīng)過(guò)脫脂后，再放入真空燒結(jié)爐中，在真空環(huán)境下進(jìn)行致密化處理，真空度為小于等于10 -3Pa，燒結(jié)溫度為1250℃，保溫時(shí)間為2h，燒結(jié)胚氧含量為0.43wt.%；

D、熱處理：在真空熱處理爐中，真空度為小于等于10 -2Pa，首先以10℃/min升溫至β相變點(diǎn)以下100℃保溫2小時(shí)，隨后爐冷到β相變點(diǎn)以下200℃，保溫20min，最后空冷至室溫；

E、性能檢測(cè)：檢測(cè)其力學(xué)性能，結(jié)果如下：抗拉強(qiáng)度856MPa、伸長(zhǎng)率15%。

系列對(duì)比例1：

對(duì)比例1中除了上述表明的條件，其他條件均和實(shí)施例2一致。

系列對(duì)比例2

與實(shí)例2的唯一區(qū)別是只保留第一次熱處理，即單級(jí)熱處理，檢測(cè)其力學(xué)性能，結(jié)果如下：抗拉強(qiáng)度844MPa、伸長(zhǎng)率4%。可能是爐冷下第二相重新出現(xiàn)所致。

上述對(duì)比可以看出，過(guò)高或者過(guò)低的熱處理溫度、保溫時(shí)間等工藝參數(shù)，都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)缺陷，進(jìn)而影響性能。

以上所述實(shí)例僅是本發(fā)明較優(yōu)的實(shí)施方法，故不能以此限定本發(fā)明的實(shí)施范圍，其他按照本發(fā)明的原理和內(nèi)容所做的等效改變、修飾、替代和組合，都仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

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