钛合金空心节点球及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种钛合金空心节点球及其制备方法，空心节点球的球直径为Ф40～60mm，球壁厚为2～10mm；球面均匀分布接头连接孔，连接孔轴线均通过球心，连接孔内壁为工作面，可为螺纹连接或卡榫连接形式。其制备方法包括如下步骤：设计在端面装配有限位台阶和销孔的空心节点半球模型，以雾化球形Ti‑6Al‑4V和氢化脱氢不规则两种钛合金混合粉末为原料，采用催化脱脂型粘结剂，通过粉末注射成形技术制备出空心节点半球坯件，将脱脂后的半球坯件端面均匀涂敷Cu‑Sn‑Ti焊膏，相扣得到完整节点球；随后将其进行烧结处理冷却后制得。该方法制备的钛合金空心节点球成本低、一致性好、尺寸精度高，组织细小均匀，力学性能优异。

【技术实现步骤摘要】
钛合金空心节点球及其制备方法
本专利技术涉及粉末冶金
，特别涉及钛合金空心节点球及其制备方法。
技术介绍
随着卫星有效载荷技术的快速发展，移动通信、对地观测、数据中继、微波遥感等卫星提出了星载可展开结构大型化要求。现在的许多科学研究计划，如空间科学计划、地球科学计划和人类宇宙探索计划也都要求大型的空间结构，而大型空间结构一般都是利用在轨组装的方式进行构建，要求材料质量轻、刚度轻、可靠性强、稳定性好，因而可在轨组装的高性能空间桁架的研究已经成为解决大型空间结构的核心问题。桁架结构及桁架杆件能够充分发挥材料性能，适用于大跨度甚至超大跨度结构，具有扩展能力强、结构效率高、功能多样性等优点。空间桁架结构制造包括桁架杆件制造以及空心结构金属节点球制造，目前桁架杆件的制造技术较为成熟，而空心节点球的制造研究有待深入。空心节点球在网架结构中作为节点，是大型桁架结构的核心关键零件，可以用来传递三维力流，改变网架结构中的内力分布，直接影响到桁架结构的稳定性和可靠性。作为星载可展开桁架结构，空心节点球既要求具有优异的结构强度，又要求整体轻量化设计，而钛合金材料很好的满足这一要求。钛合金作为一种重要的高温轻质结构材料，具有低密度、高比强度和比刚度，优异的耐高温和耐腐蚀性能，广泛应用于航空航天制造领域。目前节点球多采用传统的机械加工方法，由于各孔轴线是过球心空间分布，角度变化多，各孔位的角度变化复杂，在加工中反复装夹会造成较大的重复定位误差，加工精度低。另有通过在节点球上先制作一个螺栓孔，然后在孔中装入螺栓以便进一步加工，但此方法工序复杂，生产效率低下，生产成本较高。此外，空心节点球的球体内部结构复杂，内部材料难以去除。另一方面钛合金材料本身的机加工性能较差，加工成本较高，进一步限制了传统机加工技术在钛合金空心节点球上的应用。因此，如何实现节点球的空心结构制造、减小机加工过程已经成为解决问题的关键。粉末注射成形技术是将粉末冶金与注塑成型技术相结合而形成的一门新型近终成形技术，可以批量化制备具有三维复杂形状的零部件，实现空心结构制造，有效控制壁厚，直接制备出具有或接近最终形状的零件，减少机加工过程，为实现钛合金空心节点球的制造提供了新思路。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决以上问题，本专利技术提供大型桁架用钛合金空心节点球及其低成本批量化制备方法。根据本专利技术的一个方面，提供一种钛合金空心节点球，钛合金空心节点球以粉末为原料通过注射成形并烧结后制备而成，空心节点球的球直径为Ф40～60mm，球壁厚为2～10mm；球面分布接头连接孔，连接孔直径为Ф4～12mm，连接孔数量为4～18个孔，连接孔位于球顶、球底、赤道面和/或南纬45°圆周及北纬45°圆周处，并均匀分布；连接孔轴线均通过球心，连接孔内壁为工作面，为螺纹连接或卡榫连接形式。其中，当采用螺纹连接时，为M4-M10内螺纹，螺纹长度为8-12mm；当采用卡榫连接时，连接孔外孔口设容差锥，锥角为10°～20°，连接孔内孔口设置锁紧锥，锥角为15°～45°。其中，粉末包括Ti-6Al-4V合金粉末和不规则氢化脱氢粉末。其中，Ti-6Al-4V合金粉末和不规则氢化脱氢粉末的平均粒度D50为10～40μm，其中不规则氢化脱氢粉末的含量是原料粉末的0～50％。其中，通过注射成形先制备形状相同的第一和第二两个空心节点半球坯料，每个空心节点半球坯料的结合端面均设有台阶和销孔，脱脂后在两个空心节点半球坯料的结合端面上均匀涂敷焊膏，并将第一空心节点半球坯料的台阶插入第二空心节点半球坯料的销孔，第二空心节点半球坯料的台阶插入第一空心节点半球坯料的销孔，使得两个空心节点半球扣合，然后再烧结制备而成。其中，焊膏的成分包括Cu-xSn-yTi，其中Sn含量x为18～32wt.％，Ti含量y为5～20wt.％。根据本专利技术的第二方面，提供该钛合金空心节点球的制备方法，包括以下步骤：制备注射成形模具，所述模具的形状与所述空心节点半球形状相匹配。将原料粉末和粘结剂均匀混炼，再破碎制成粒状喂料。将粒状喂料装入注射机，调整注射参数，注入注射成形模具，制备出第一和第二空心节点半球坯料。将两个空心节点半球坯料放入催化脱脂炉中脱脂处理。将脱脂后的两个半球坯料的端面均匀涂敷焊膏，相扣得到完整的空心节点球坯件。将空心节点球坯件放入烧结炉中进行烧结处理，随炉冷却后即可制得空心节点球制件。其中，混炼制成粒状喂料步骤中，混炼温度为150～190℃，时间为1～2h；其中，粘结剂为催化脱脂型粘结剂，主要成分包括聚甲醛、高密度聚乙烯、聚丙烯、微晶蜡和硬脂酸，其中聚甲醛含量为78～88wt.％，高密度聚乙烯含量为4～7wt.％，聚丙烯含量为4～7wt.％，微晶蜡含量为1～5wt.％，硬脂酸含量为0.5～3wt.％。其中，注射制备空心节点半球坯件步骤中，注射过程中喂料加热至170～200℃，注射压力50～100MPa，保压压力40～90MPa，模温60～110℃；其中，脱脂处理步骤中，脱脂过程为硝酸催化脱脂，脱脂温度为80～125℃，进酸速率为0.8～1.5g/min，脱脂时间为6～12h。其中，烧结制成空心节点球制件步骤包括：烧结过程在高纯惰性气体保护下或真空条件下进行，其中真空条件的真空度为10-2～10-4Pa；具体烧结工艺为：从室温以3～7℃/min升温至450～600℃，保温时间为0.5～2h，进行第一阶段烧结；以3～7℃/min升温至900～1100℃，保温0.5～2h，进行第二阶段烧结；以1～3℃/min升温至烧结温度1200～1350℃，保温时间为1～4h，进行第三阶段烧结。本专利技术中，采用Ti-6Al-4V合金粉末为原料，平均粒度D50为10～40μm，是由雾化球形合金粉体和HDH法制备的不规则合金粉体均匀混合而成，其中HDH粉末的含量为0～50％。球形粉体比表面积小，流动性好，有利于改善喂料的流变性和粘度，提高粉末装载量；而添加不规则HDH粉体可以增加注射坯的保形性及强度，有利于促进烧结致密化，并降低原料成本。经研究证实，当HDH粉末含量超过50％，会由于粉末装载量过低，注射坯烧结收缩率大而使得变形不易控制，难以保持较高的尺寸精度。而当平均粒度在限定范围以外，均易出现烧结致密化困难的现象。采用催化脱脂型粘接剂，注射坯强度高，脱脂速度快、温度低、变形小、氧增易于控制在较低范围，制备较厚的零件，均匀性更好。根据节点球的厚度、HDH粉末的含量，可适当调整粘结剂体系成分，并制定相应的脱脂工艺。催化脱脂过程中主要有进酸速率、脱脂温度、脱脂时间等关键工艺参数。在上述限定范围之外，进酸速率过小、脱脂温度过低会导致脱脂速率太低，而进酸速率过大会增加设备安全隐患，脱脂温度过高，也会使催化脱脂反应过快，坯体内易产生脱脂缺陷。经实验证实，合理的脱脂温度范围为80～125℃，进酸速率为0.8～1.5g/min，脱脂时间为6～12h。将粘结剂和原料粉体混炼制得喂料进行注射成形，使用注射温度为170～200℃，注射压力为50～100MPa，保压压力40～90MPa，模温60～110℃。本专利技术注射温度选择170～200℃，若注射温度太低，则喂料流动性不足，而温度太高，将容易产生粉末与粘结剂两相分离。由于节点球坯件的形状复杂，质量较大，因此要选本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.钛合金空心节点球，其特征在于，所述钛合金空心节点球以粉末为原料，通过注射成形并烧结后制备而成，所述空心节点球的球直径为Ф40～60mm，球壁厚为2～10mm；球面分布接头连接孔，连接孔直径为Ф4～12mm，连接孔数量为4～18个孔，所述连接孔位于球顶、球底、赤道面和/或南纬45°圆周及北纬45°圆周处，并均匀分布；连接孔轴线均通过球心，连接孔内壁为工作面，为螺纹连接或卡榫连接形式。

【技术特征摘要】
1.钛合金空心节点球，其特征在于，所述钛合金空心节点球以粉末为原料，通过注射成形并烧结后制备而成，所述空心节点球的球直径为Ф40～60mm，球壁厚为2～10mm；球面分布接头连接孔，连接孔直径为Ф4～12mm，连接孔数量为4～18个孔，所述连接孔位于球顶、球底、赤道面和/或南纬45°圆周及北纬45°圆周处，并均匀分布；连接孔轴线均通过球心，连接孔内壁为工作面，为螺纹连接或卡榫连接形式。2.如权利要求1所述的钛合金空心节点球，其特征在于，当采用螺纹连接时，为M4-M10内螺纹，螺纹长度为8-12mm；当采用卡榫连接时，连接孔外孔口设容差锥，锥角为10°～20°，连接孔内孔口设置锁紧锥，锥角为15°～45°。3.如权利要求1所述的钛合金空心节点球，其特征在于，所述原料粉末为Ti-6Al-4V(TC4)合金粉末，是由雾化法制备的球形合金粉末和氢化脱氢(HDH)法制备的不规则粉末组成的均匀混合粉末。4.如权利要求3所述的钛合金空心节点球，其特征在于，原料粉末的平均粒度D50为10～40μm，，其中HDH原料合金粉末的含量为0～50％。5.如权利要求1-4任意一项所述的钛合金空心节点球，其特征在于，通过注射成形先制备形状相同的第一和第二两个空心节点半球坯料，每个空心节点半球坯料的结合端面均设有台阶和销孔，脱脂后在两个空心节点半球坯料的结合端面上均匀涂敷焊膏，并将第一空心节点半球坯料的台阶插入第二空心节点半球坯料的销孔，第二空心节点半球坯料的台阶插入所述第一空心节点半球坯料的销孔，使得两个空心节点半球扣合，然后再烧结制备而成。6.如权利要求5所述的钛合金空心节点球，其特征在于，焊膏的成分包括Cu-xSn-yTi，其中Sn含量x为18～32wt.％，Ti含量y为5～20wt.％。7.如权利要求1～6任意一项所述的钛合金空心节点球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制备注射成...

【专利技术属性】
技术研发人员：路新，潘宇，刘程程，沈晓宇，张玉良，曲选辉，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11