一种使用球形钛合金粗粉末制造钛合金材料的方法技术

本发明专利技术涉及使用3D打印球形钛合金粉末的副产品，即53～300μm的粗粉末，制造钛合金材料的方法。包括：筛选出粗粉末；氢化处理；压制成型；低温烧结和后处理。本发明专利技术制造的钛合金材料，粉末烧结温度≤1150℃，氧含量≤0.13wt％，热塑性成型性能优异，成功实现了粉末冶金钛合金材料及其零部件的超高纯净度和低成本化制造。其中，制造的TC4(Ti

【技术实现步骤摘要】
一种使用球形钛合金粗粉末制造钛合金材料的方法


[0001]本专利技术属于钛合金的粉末冶金制造
，涉及一种使用球形钛合金粗粉末制造钛合金材料的方法。

技术介绍

[0002]激光和电子束增材制造(3D打印)是短流程和近净成形制造复杂结构钛合金零部件的重要手段，也是实现钛合金零部件低成本化的关键技术。激光粉末床法3D打印使用的球形钛合金粉末粒度在10～53μm，激光沉积/熔覆法和电子束3D打印使用的球形钛合金粉末粒度在50～130μm。因此，企业在生产激光和电子束3D打印用球形钛合金粉末的过程，会产生约40％～50％比例的粗粉副产品，不能再用于激光或者电子束3D打印，造成粗粉副产品的库存积压。
[0003]球形钛合金粗粉副产品，具有低成本、成分高度均匀、高纯净度，以及显微组织均匀细小的突出优势。球形钛合金粗粉末的氧含量比细粉末的更低，通常低于0.09wt％。与3D打印用球形钛合金细粉末相比，粉末生产企业对钛合金粗粉副产品的利润期望值较低，成本更低。这些球形钛合金粗粉副产品，即不能用于激光或者电子束3D打印，也不能像钛屑和废料块一样进行重熔和再利用，基本处于库存积压的状态。因此，如何开发和再利用这些粗粉副产品，制造出高品质和低成本的钛合金零部件，具有重要的经济效益和工程应用价值。
[0004]目前，这类球形钛合金粗粉末，不能直接用于制造粉末冶金钛合金材料及其零部件。主要是因为钛合金球形粉末的屈服强度高，变形抗力太大，不能直接冷压成型和达到致密化效果，且颗粒之间咬合力差，脱模时粉末压坯直接溃散。常规的热等静压(HIP)近净成型和热压烧结法制造粉末冶金钛合金材料及其零部件，所使用的球形钛合金粉末通常粒度小于120μm。但是HIP和热压烧结近净成型，不适合规模化生产，生产效率比较低，制品的成本仍然偏高。而传统的粉末冶金钛合金使用的不规则元素粉末的粒度通常小于75μm，这虽然解决了粉末的压制成型难题，但是制造的钛合金氧含量普遍高于0.35wt％。因此，如何突破球形钛合金粗粉的压制成型能力和压坯致密度，是制造高纯净度、高性能和低成本粉末冶金钛合金材料及其零部件的关键环节。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术的一种使用球形钛合金粗粉末制造钛合金材料的方法，是开发和利用3D打印球形钛合金粉末的粗粉副产品，制造高纯净度、高强度和高塑性、低成本粉末冶金钛合金材料和零部件的理想手段。
[0006]本专利技术提供一种使用球形钛合金粗粉末制造钛合金材料的方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1：筛选出球形钛合金粗粉末；
[0008]步骤2：对球形钛合金粗粉末进行氢化处理，获得氢化钛合金粉末；
[0009]步骤3：将氢化钛合金粗粉末进行压制成型，获得氢化钛合金粉末坯；
[0010]步骤4：对氢化钛合金粉末坯料进行低温烧结和后处理，制成钛合金材料。
[0011]在本专利技术的使用球形钛合金粗粉末制造钛合金材料的方法中，所述步骤1具体为：
[0012]从用于生产激光/电子束3D打印球形钛合金粉末中筛选出粒度为53～300μm的粗粉末；
[0013]所述球形钛合金粗粉末的合金成分是纯钛、Ti
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6Al
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4V、Ti
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6.5Al
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2Mo
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2V
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2Zr和Ti
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Al
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Mo
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Sn
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Zr
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Si系列高温钛合金中的任一种。
[0014]在本专利技术的使用球形钛合金粗粉末制造钛合金材料的方法中，所述步骤2具体为：
[0015]将球形钛合金粗粉末装入氢化炉中进行氢化，氢化温度在450～700℃，氢气压力在0.7～5.0bar，氢化时间为1～3小时，置氢量控制在2.5～4.35wt％。
[0016]在本专利技术的使用球形钛合金粗粉末制造钛合金材料的方法中，所述步骤3具体为：
[0017]将氢化钛合金粗粉末放入钢制模具中进行压制成型，压制力控制在500～1000MPa，保压时间0～5分钟。
[0018]在本专利技术的使用球形钛合金粗粉末制造钛合金材料的方法中，所述步骤4中低温烧结具体为：
[0019]将氢化钛合金粉末坯料，进行低温度的快速烧结，烧结温度≤1150℃，烧结时间≤60分钟，获得钛合金坯料。
[0020]在本专利技术的使用球形钛合金粗粉末制造钛合金材料的方法中，所述低温烧结是在真空条件或氩气气氛下进行。
[0021]在本专利技术的使用球形钛合金粗粉末制造钛合金材料的方法中，低温烧结的加热方式采用电阻加热或线圈感应加热。
[0022]在本专利技术的使用球形钛合金粗粉末制造钛合金材料的方法中，烧结过程中氢化钛中的氢以氢气形式排出，但仍残留≤0.3wt％的固溶氢。
[0023]在本专利技术的使用球形钛合金粗粉末制造钛合金材料的方法中，所述步骤4中的后处理具体为：
[0024]将钛合金坯料进行高温挤压或者锻造加工，在残留固溶氢的作用下，高温挤压或者锻造加工温度降低50～100℃，在≤1000℃的低温进行。
[0025]本专利技术的一种使用球形钛合金粗粉末制造钛合金材料的方法，至少具有以下有益效果：
[0026]1、本专利技术方法中使用3D打印球形钛合金粉末生产过程的粗粉副产品，进行粉末冶金钛合金材料的制造。钛合金球形粉末随着粒度的增加，氧含量不断降低，100～300μm的钛合金粗粉末，氧含量低于0.09wt％。另外，钛合金球形粗粉的氢化过程，处于还原性气氛，有效地降低粉末颗粒表面的氧化膜厚度，降低氧含量。传统的使用不规则粉末颗粒制造的粉末冶金钛合金，氧含量普遍高于0.35wt％，而本专利技术制造的钛合金材料氧含量均低于0.13wt％，在合金纯净度上具有绝对的优势。
[0027]2、通过将筛选出的钛合金粗粉末进行氢化处理，提高粗粒度钛合金粉末的压制成型能力和压坯致密度，防止粉末压坯的脱模溃散。粉末压坯脱模后形状保持完整，压坯的致密度高于86％。压制过程氢化钛合金粉末颗粒的破碎，也有利于消除气雾化球形钛合金粉末颗粒内部的氩气包，提高制品的致密度。粉末压制成型是开发和利用钛合金粗粉副产品制造高品质粉末冶金钛合金的关键环节。本专利技术的制造方法，从根本上突破了粗粒度钛合金粉末的压制成型难题。
[0028]3、采用本专利技术方法制备的钛合金材料，抗拉强度和断裂延伸率同步提高。由于本专利技术制造的粉末冶金钛合金，氧含量和常规锻造钛合金处于统一水平，但是显微组织和合金成分的均匀性更高，晶粒尺寸更加细小。脱氢过程会诱发富氢的β(H)和α(H)相的分解，生成更多的超细α
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Ti和β
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Ti相的片层。这些都有利于粉末冶金钛合金材料抗拉强度和塑性的改善。本专利技术制造的粉末冶金TC4钛合金挤压型材，室温抗拉强度大于1150MPa，断裂延伸率高于12.0％，氧含量仅为0.11wt％；本专利技术制造的TA15(Ti...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种使用球形钛合金粗粉末制造钛合金材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：筛选出球形钛合金粗粉末；步骤2：对球形钛合金粗粉末进行氢化处理，获得氢化钛合金粉末；步骤3：将氢化钛合金粗粉末进行压制成型，获得氢化钛合金粉末坯；步骤4：对氢化钛合金粉末坯料进行低温烧结和后处理，制成钛合金材料。2.如权利要求1所述的使用球形钛合金粗粉末制造钛合金材料的方法，其特征在于，所述步骤1具体为：从用于生产激光/电子束3D打印球形钛合金粉末中筛选出粒度为53～300μm的粗粉末；所述球形钛合金粗粉末的合金成分是纯钛、Ti
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4V、Ti
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6.5Al
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2Zr和Ti
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Al
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Mo
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Sn
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Zr
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Si系列高温钛合金中的任一种。3.如权利要求1所述的使用球形钛合金粗粉末制造钛合金材料的方法，其特征在于，所述步骤2具体为：将球形钛合金粗粉末装入氢化炉中进行氢化，氢化温度在450～700℃，氢气压力在0...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛红志，张海瑞，刘顺，于金生，张德良，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：