高致密度钛或钛合金零部件及其粉末冶金充型制造方法技术

一种高致密度钛或钛合金零部件及其粉末冶金充型制造方法，属于金属零部件的粉末冶金制造领域。该方法根据高致密度钛或钛合金零部件的成分配比，称量金属粉末；混合后进行压坯，得到相对密度为80％以上的规则形状粉末压坯；加热至1000‑1400℃，保温2‑30min，得到烧结程度为20‑90％的粉末压坯；在真空或惰性气体保护下，进行快速充型，得到钛或钛合金零部件毛坯；将钛或钛合金零部件毛坯随模具降温至900℃以下，取出，进行精加工，得到高致密度和高冶金结合程度的钛或钛合金零部件。该方法可以实现近净成形致密钛或钛合金零部件的制备，具有低能耗、短流程的优点。

【技术实现步骤摘要】
高致密度钛或钛合金零部件及其粉末冶金充型制造方法
本专利技术属于金属零部件的粉末冶金制造领域，本专利技术提供一种高致密度钛或钛合金零部件及其粉末冶金充型制造方法，该方法不同于传统的粉末模压成型制成接近零部件形状和尺寸的粉末坯，然后烧结粉末坯的金属零部件粉末冶金制造方法，其是一种具有规则形状的粉末坯在高温和真空或保护气氛下充型、在充型过程中实现致密化和进一步固结的钛合金零部件制造方法。
技术介绍
钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀等特点，在航空航天、机械制造、国防军事和生物医疗等领域有广泛的应用。在传统的金属零部件制造业，钛合金零部件主要通过铸造、锻造或粉末冶金工艺制造。对于铸造工艺，因为钛合金液体活性非常大，钛合金熔化和铸造用的模具材料的成本都很高，所以钛合金的铸件成本很高。同时，因为铸造缺陷和铸造凝固组织粗大，铸造钛合金零部件的力学性能达不到铸锭冶金钛合金材质的力学性能水平。而对于锻造工艺，在锻造工艺条件合适的前提下，锻造工艺制造的钛合金零部件材质的综合力学性能都很好，能达到铸锭冶金钛合金的力学性能水平，但是由于金属固态流动范围的限制以及去除表面氧含量超标的脆性α层的需要，钛合金锻造工艺制造出的零部件毛坯与最终零部件的尺寸和形状相差很多，导致通常超过50％的材料要通过机加工去除，材料利用率很低。钛合金属于不易机加工金属，机加工成本很高，这导致通过锻造-机加工工艺过程制造的零部件成本很高。粉末冶金工艺具有近净成形的优点，通过把钛合金预合金粉末，或按照合金成分要求将钛粉和其它金属粉混合得到的混合粉，通过模压制造出与零部件(如齿轮)形状和尺寸接近的粉末坯，一般粉末坯的相对密度达到90％以上，然后将粉末坯放到真空炉里进行烧结和致密化，获得相对密度在95％以上的钛合金烧结零部件。由于很难完全消除零部件内的残余孔洞，同时高温烧结造成钛合金微观组织粗大，传统粉末冶金工艺做出的零部件的材质的力学性能均达不到铸锭冶金钛合金的力学性能水平。通过锻造或热等静压可以提高钛合金粉末烧结件的材质和力学性能，但要附加成本。由于粉末的流动性有限，传统粉末模压烧结工艺制造出的零部件形状都比较简单或对称度比较高。通过金属粉末注射成形(英文：MetalInjectionMolding(MIM))工艺可以制造出形状复杂的钛合金预合金或混合粉粉末坯，然后烧结粉末坯可以制造形状复杂的零部件，但这个工艺只适于制造单件质量在500克以下的零部件。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种高致密度钛或钛合金零部件及其粉末冶金充型制造方法，该方法是一种新型的短流程、近净成形、低成本、钛或钛合金零部件粉末冶金制造方法。其是基于在高温下，通过粉末固结和合金化获得的细晶钛或钛合金材料具有良好的流动性，在压力的驱动下，能够填充封闭型腔，从而获得由模具型腔定义的近净成形钛或钛合金零部件毛坯。通过该方法可以达到热塑塑料注射成型技术的效果，能够快速将加热的粉末坯变成致密并具有钛合金力学和其他物理性能的零部件毛坯。该方法可以实现近净成形致密钛或钛合金零部件的制备，具有低能耗、短流程的优点。本专利技术的一种高致密度钛或钛合金零部件的粉末冶金充型制造方法，包括以下步骤：(1)混合根据高致密度钛或钛合金零部件的成分组成和各个成分的质量百分占比，称量金属粉末；将金属粉末混合均匀，得到混合粉末；(2)压坯将混合粉末进行压坯，得到相对密度为80％以上的规则形状粉末压坯；(3)加热保温在真空或惰性气体保护下，将规则形状粉末压坯加热至1000-1400℃，保温2-30min，得到烧结程度为20-90％的粉末压坯；(4)充型在真空或惰性气体保护下，将温度控制在1000-1400℃的加热后的粉末压坯，置于钛或钛合金零部件充型模具中；对加热后的粉末压坯进行加压，驱动加热后的粉末压坯材料在高温下流动进行快速充型，直至加热后的粉末压坯完全填充钛或钛合金零部件充型模具型腔，得到钛或钛合金零部件毛坯；其中，加热后的粉末压坯在充型过程中实现热挤压，挤压比为5:1-100:1，加压的压强为10-1000MPa，更优选为100-500MPa，加压时间大于或等于充型时间，优选为0.1-5min。(5)后处理将钛或钛合金零部件毛坯随模具降温至900℃以下，取出，进行精加工，得到高致密度钛或钛合金零部件。所述的步骤(1)中，金属粉末中，钛粉末的原料为钛金属和/或氢化钛粉末，钛合金中其他金属粉末的原料为金属粉末或金属合金粉末，各个粉末的配比，根据制备的高致密度钛合金零部件的成分确定。所述的步骤(1)中，金属粉末的粒度为200目以下。所述的步骤(1)中，混合均匀选用机械球磨的方式进行混合。所述的步骤(2)中，压坯采用模压或冷等静压中的一种。所述的步骤(2)中，模压或冷等静压的压强为100-1000MPa，保压时间为1-10min。所述的步骤(2)中，所述的压坯可以是单向模压成型或双向模压成型中的一种；压坯模具可以预热，预热温度为室温-500℃，并且当压坯模具温度为100-500℃时，压坯过程需要在氩气保护环境下进行。所述的步骤(2)中，规则形状可以为圆柱形、长方形、正方形中的一种。所述的步骤(3)中，加热的升温速率为5-200℃/min，优选为35-100℃/min。所述的步骤(3)中，加热采用的设备为感应炉、微波炉、电炉、等离子体热处理炉中的一种；加热时间优选为5-20min，该步骤实现了粉末压坯的部分烧结，部分烧结的烧结率为20-90％。所述的步骤(3)中，真空为绝对气压≤200Pa的真空条件；惰性气体保护优选为氧含量≤200ppm的氩气气体保护。所述的步骤(3)中，当钛粉末的原料含有氢化钛时，在加热过程中，氢化钛粉末颗粒原位脱氢变为钛粉末颗粒。所述的步骤(4)中，热挤压的挤压速度为10-30mm/s。所述的步骤(4)中，钛或钛合金零部件充型模具可进行预热，预热温度为室温-550℃。所述的步骤(4)中，加热后的粉末压坯的加压和充型在真空或压坯选用惰性气体保护下进行。所述的步骤(4)中，真空为绝对气压≤200Pa的真空条件；惰性气体保护优选为氧含量≤200ppm的氩气气体保护。所述的步骤(4)中，钛或钛合金零部件毛坯的相对密度≥98.5％和粉末颗粒之间的冶金结合程度≥98％。所述的步骤(5)中，当钛粉末的原料中含有氢化钛时，在精加工之前，需要进行彻底脱氢处理，彻底脱氢处理的工艺参数为：在真空条件下在650-850℃保温1-10h。所述的步骤(5)中，精加工为切割、热处理和机加工，其中，热处理和机加工根据钛或钛合金制品制造行业通常使用的热处理和机加工方法进行；所述的高致密度钛或钛合金零部件的粉末冶金充型制造方法，切割和机加工去除材料占整个钛或钛合金零部件总重量≤15％。所述的步骤(5)中，热处理和机加工根据钛或钛合金零部件的微观组织、力学性能和形状尺寸的需求本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高致密度钛或钛合金零部件的粉末冶金充型制造方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)混合/n根据高致密度钛或钛合金零部件的成分组成和各个成分的质量百分占比，称量金属粉末；/n将金属粉末混合均匀，得到混合粉末；/n(2)压坯/n将混合粉末进行压坯，得到相对密度为80％以上的规则形状粉末压坯；/n(3)加热保温/n在真空或惰性气体保护下，将规则形状粉末压坯加热至1000-1400℃，保温2-30min，得到烧结程度为20-90％的粉末压坯；/n(4)充型/n在真空或惰性气体保护下，将温度控制在1000-1400℃的加热后的粉末压坯，置于钛或钛合金零部件充型模具中；/n对加热后的粉末压坯进行加压，驱动加热后的粉末压坯材料在高温下流动进行快速充型，直至加热后的粉末压坯完全填充钛或钛合金零部件充型模具型腔，得到钛或钛合金零部件毛坯；/n其中，加热后的粉末压坯在充型过程中实现热挤压，挤压比为5:1-100:1，加压的压强为10-1000MPa，加压时间大于或等于充型时间；/n(5)后处理/n将钛或钛合金零部件毛坯随模具降温至900℃以下，取出，进行精加工，得到高致密度钛或钛合金零部件。/n

【技术特征摘要】
1.一种高致密度钛或钛合金零部件的粉末冶金充型制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)混合
根据高致密度钛或钛合金零部件的成分组成和各个成分的质量百分占比，称量金属粉末；
将金属粉末混合均匀，得到混合粉末；
(2)压坯
将混合粉末进行压坯，得到相对密度为80％以上的规则形状粉末压坯；
(3)加热保温
在真空或惰性气体保护下，将规则形状粉末压坯加热至1000-1400℃，保温2-30min，得到烧结程度为20-90％的粉末压坯；
(4)充型
在真空或惰性气体保护下，将温度控制在1000-1400℃的加热后的粉末压坯，置于钛或钛合金零部件充型模具中；
对加热后的粉末压坯进行加压，驱动加热后的粉末压坯材料在高温下流动进行快速充型，直至加热后的粉末压坯完全填充钛或钛合金零部件充型模具型腔，得到钛或钛合金零部件毛坯；
其中，加热后的粉末压坯在充型过程中实现热挤压，挤压比为5:1-100:1，加压的压强为10-1000MPa，加压时间大于或等于充型时间；
(5)后处理
将钛或钛合金零部件毛坯随模具降温至900℃以下，取出，进行精加工，得到高致密度钛或钛合金零部件。


2.根据权利要求1所述的高致密度钛或钛合金零部件的粉末冶金充型制造方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，金属粉末中，钛粉末的原料为钛金属和/或氢化钛粉末，钛合金中其他金属粉末的原料为金属粉末或金属合金粉末，各个粉末的配比，根据制备的高致密度钛合金零部件的成分确定；金属粉末的粒度为200目以下。


3.根据权利要求1所述的高致密度钛或钛合金零部件的粉末冶金充型制造方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，压坯采用模压或冷等静压中的一种；模压或冷等静压的压强为100-1000MPa，保压时间为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张德良，程琦，高文朋，牛红志，方公军，聂卫广，岳聚昆，武晓刚，杨慧民，聂清凤，张博文，
申请(专利权)人：东北大学，攀枝花市梦梦科技有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21