[發(fā)明專利]一種鈦合金零件的注射成形方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911390052.3
• 申請(qǐng)日: 2019-12-30
• 公開（公告）號(hào): CN110935878B
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 余勇;李益民;何浩;胡幼華;王霄
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湖南英捷高科技有限責(zé)任公司
• 主分類號(hào): B22F3/22
• 分類號(hào): B22F3/22;B22F1/103;B22F3/10;C22C1/04;C22C14/00
• 代理公司: 長(zhǎng)沙市融智專利事務(wù)所(普通合伙) 43114
• 代理人: 鐘丹;顏勇

本發(fā)明公開了一種鈦合金零件的注射成形方法，首先將基體材料鈦合金粉末與粘結(jié)劑混煉，制粒獲得喂料，然后利用注射成形機(jī)將喂料注入到模具型腔中得到產(chǎn)品生坯；再將生坯中的粘結(jié)劑經(jīng)純水脫脂、熱脫脂工藝脫除，最后采用熱等靜壓(HIP)燒結(jié)致密化得到鈦合金零件。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在粉末注射成形技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用環(huán)保高效的水溶性粘結(jié)劑體系和HIP燒結(jié)法制備出性能優(yōu)異的鈦合金零件，具有生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低、易于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，所得鈦合金制品的抗拉強(qiáng)度≥935MPa，屈服強(qiáng)度≥890MPa，延伸率≥10％，相對(duì)密度≥99％，優(yōu)于同類產(chǎn)品20％，能很好的滿足客戶需求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種鈦合金零件的制備方法，尤其涉及一種鈦合金零件的注射成形方法。

背景技術(shù)

鈦及鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、無(wú)磁性、抗腐蝕以及生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，是優(yōu)質(zhì)的金屬結(jié)構(gòu)材料和功能材料，在航空航天、汽車、發(fā)電、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，被譽(yù)為繼鋼鐵、鋁材之后處于發(fā)展中的“第三金屬”和“戰(zhàn)略金屬”。但鈦及鈦合金的熔點(diǎn)和硬度高，加工、成型及切削性能差，因此，采用傳統(tǒng)加工方法的裝備昂貴、效率低、成本高、材料浪費(fèi)大，極大地限制了其的應(yīng)用范圍。金屬注射成形(MIM)是將粉末冶金技術(shù)與塑料注射成形技術(shù)相結(jié)合而形成的一種近凈成形工藝，具有原料利用率高、組分調(diào)整靈活及批量生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以制備出高維度、高精度的零部件，是一種理想的鈦及鈦合金制備方法。鈦合金中最常見的Ti-6A1-4V合金屬于α+β兩相馬氏體型合金。它含有6％的α穩(wěn)定元素鋁，通過(guò)固溶強(qiáng)化使α相的強(qiáng)度得到提高。作為β穩(wěn)定劑的釩，降低α+β與β的轉(zhuǎn)變溫度。Ti-6A1-4V合金于1954年由美國(guó)首先研制成功，廣泛用于宇航工業(yè)，是美國(guó)鈦合金的主要支柱。后來(lái)Ti-6A1-4V合金逐漸發(fā)展成為一種國(guó)際性鈦合金，在我國(guó)的鈦合金生產(chǎn)和應(yīng)用中，Ti-6A1-4V合金也占主要地位，它被命名為TC4。

TC4鈦合金的MIM工藝主要包括粉體制備、混煉、注射成形、脫脂、燒結(jié)以及必要的后處理等。研究表明，TC4鈦合金注射成形零件的性能主要受到相對(duì)密度，碳、氧含量和微觀組織的影響。燒結(jié)作為金屬注射成形工藝中最后一道工序，對(duì)產(chǎn)品的最終性能至關(guān)重要。燒結(jié)工藝參數(shù)(如溫度、時(shí)間、氣氛、升降溫速率等)直接影響產(chǎn)品的性能和尺寸精度。現(xiàn)階段，TC4鈦合金通常采用常壓燒結(jié)工藝，其相對(duì)密度為95％左右，顯微組織中不可避免殘余著一定比例的氣孔。這些氣孔會(huì)成為試樣斷裂時(shí)的裂紋源，降低材料的抗拉強(qiáng)度、塑性和疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能。另外，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)這類燒結(jié)設(shè)備采用電阻加熱機(jī)制，以輻射、傳導(dǎo)為主，加熱效率低，一般需在高溫下1250～1350℃保溫2～4h，這既不利于提高生產(chǎn)效率，造成了資源、能源的浪費(fèi)，也會(huì)導(dǎo)致晶粒的粗化，氧含量的增加，惡化材料性能。因此，如何在嚴(yán)格控制碳、氧含量的前提下，優(yōu)化燒結(jié)工藝，獲得全致密產(chǎn)品是實(shí)現(xiàn)高性能鈦合金MIM零件的關(guān)鍵制備技術(shù)。

粘結(jié)劑是MIM的核心，作為一種流動(dòng)載體，最終要通過(guò)脫脂技術(shù)脫除。粘結(jié)劑設(shè)計(jì)決定了整個(gè)工藝過(guò)程的優(yōu)劣，直接影響著混煉、注射成形和脫脂等工序，對(duì)注射成形胚的質(zhì)量、脫脂效率、燒結(jié)行為和產(chǎn)品尺寸精度及性能等有很大的影響。粘結(jié)劑體系影響脫脂工藝的選擇，從工藝和成本來(lái)說(shuō)，脫脂時(shí)間應(yīng)盡量短、脫脂溫度應(yīng)盡量低，如果脫脂工藝控制不當(dāng)或粘結(jié)劑脫除不完全，易造成脫脂臟化、變形、鼓泡等缺陷，同時(shí)因鈦活性高，其力學(xué)性能對(duì)雜質(zhì)元素C、H、O的含量十分敏感，有研究表明熱脫脂期間氧含量的增加最為劇烈。目前，MIM-TC4鈦合金常用的粘結(jié)劑體系有蠟基體系、芳香族化合物基體系和聚甲醛體系。但是這些體系都在不同程度上存在缺陷。蠟基體系粘結(jié)劑在MIM工藝中占據(jù)著重要地位，但其溶劑脫脂效率低，所得制品的碳含量高，因此發(fā)展受限。芳香族化合物基粘結(jié)劑的溶劑脫脂效率比蠟基的高，但其含有的芳香族化合物對(duì)環(huán)境和人類健康有不良影響，不利于大規(guī)模的應(yīng)用。對(duì)于聚甲醛體系而言，在注射過(guò)程中，由于聚甲醛可能發(fā)生分解產(chǎn)生毒性較大的甲醛，且催化脫脂過(guò)程中使用的強(qiáng)酸對(duì)設(shè)備的腐蝕作用較大，同時(shí)增加了后續(xù)熱脫脂的時(shí)間，可能會(huì)出現(xiàn)氧含量的激增，所以，其規(guī)模化生產(chǎn)受到了限制。因此，開發(fā)新型高效的粘結(jié)劑體系是TC4鈦合金粉末注射成形的主要研究方向。

綜上所述，提出一種高性能，并適合大規(guī)模生產(chǎn)的鈦合金零件的粉末注射成形方法是目前亟需解決的問(wèn)題。