[發(fā)明專利]一種超細(xì)鈦粉制備高性能粉末冶金鈦及鈦合金的方法

有效

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• 申請日: 2021-01-25
• 公開（公告）號: CN112941366B
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊芳;周洋;郭志猛;陳存廣;隋延力;蘆博昕;秦乾;邵艷茹
• 申請（專利權(quán)）人: 北京科技大學(xué)
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22C1/04;B22F9/02;B22F9/04;B22F3/04;B22F3/10
• 代理公司: 北京市廣友專利事務(wù)所有限責(zé)任公司 11237
• 代理人: 張仲波

一種超細(xì)鈦粉制備高性能粉末冶金鈦及鈦合金的方法，屬于粉末冶金鈦領(lǐng)域。本發(fā)明以海綿鈦、海綿鋯鉿(固氧劑)為原料，混合均勻后經(jīng)氫化、破碎、脫氫工藝得到超細(xì)氫化脫氫粉，成形燒結(jié)后即可獲得高性能粉末冶金鈦制品。本發(fā)明中，利用超細(xì)粉實現(xiàn)粉末冶金鈦合金的燒結(jié)全致密，并保證晶粒細(xì)小，為降低超細(xì)粉中高氧含量對鈦基體的不利作用，利用鋯鉿作為固氧劑，在燒結(jié)過程中與鈦、氧元素形成Ti?Zr(Hf)?O有序相，大幅度降低鈦基體中氧含量，同時起到強化作用，提高材料力學(xué)性能。具有制備工藝簡單，無需額外設(shè)備即可解決超細(xì)鈦粉氧含量過高的問題，保證最終鈦制品的力學(xué)性能，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，有利于推動粉末冶金鈦工業(yè)化發(fā)展。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于粉末冶金鈦領(lǐng)域，提供了一種超細(xì)鈦粉制備高性能粉末冶金鈦及鈦合金的方法。

背景技術(shù)

鈦及鈦合金具有低密度、高強度、良好的耐蝕耐熱性，在相對高的服役溫度下也能保持其機械性能，同時具有優(yōu)異的生物相容性，在航空航天、軍事海洋、醫(yī)用化工等領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，并逐漸向能源、汽車等行業(yè)中擴展。鈦在地球上儲量豐富，地殼豐度為0.61％，與金屬銅相比，其資源總量是銅的近61倍，但產(chǎn)量僅為銅的1/80。這是由于在傳統(tǒng)熔煉過程中，鈦活性大，能夠與許多元素甚至耐火材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此必須在真空或惰性氣氛保護下進行，同時難以找到合適的冷凝器。而具有近凈成形優(yōu)勢的粉末冶金技術(shù)可以避免真空熔煉時的固液相變、降低能耗，因此是短流程制備低成本高性能鈦及鈦合金的有效方法。

然而，鈦對間隙元素親和力高，氧在鈦制品中最大的臨界含量為3200ppm，超過臨界氧含量后材料的延展性會急劇下降直至脆性斷裂，而粉末比表面積大，極易吸附環(huán)境中的氧，使得最終制品氧含量過高，無法很好的滿足應(yīng)用性能需求。此外，如何致密化是粉末冶金制品實際應(yīng)用的另一個急需解決的問題，孔隙的存在會導(dǎo)致材料在實際應(yīng)用中造成應(yīng)力集中，成為裂紋源，最終導(dǎo)致材料失效斷裂。提高燒結(jié)溫度可以提高燒結(jié)致密度，但晶粒可能會劇烈長大，難以保證材料最終的性能。目前主要采用加壓燒結(jié)實現(xiàn)粉末冶金鈦的全致密，如熱等靜壓、熱壓燒結(jié)等，可降低燒結(jié)溫度，縮短燒結(jié)時間，得到晶粒細(xì)小、致密度高、力學(xué)性能較好的鈦制品。但其對設(shè)備要求高、加工成本高、生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)規(guī)模小，且不易生產(chǎn)形狀復(fù)雜的粉末冶金鈦制品。

粉末的燒結(jié)的驅(qū)動力主要來自粉末的比表面能，一般來說粉末粒徑越小，形貌越不規(guī)則，其比表面積越大，比表面能越高，燒結(jié)性越好，但其氧含量也會越高，表面吸附的氧無法在后續(xù)工藝中除去，嚴(yán)重影響了最終制品的力學(xué)性能。因此如何解決超細(xì)粉中氧過高的問題是制備全致密高性能粉末冶金鈦制品的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出了一種超細(xì)鈦粉制備高性能粉末冶金鈦及鈦合金的方法。該方法以海綿鈦、海綿鋯鉿(固氧劑)為原料，混合均勻后經(jīng)氫化、破碎、脫氫工藝得到超細(xì)氫化脫氫粉，成形燒結(jié)后獲得高性能粉末冶金鈦制品。首先，Zr、Hf、Ti屬于同族元素，化學(xué)性質(zhì)相近，在Ti基體中無限互溶，不會阻礙燒結(jié)及影響制品致密度。同時，燒結(jié)過程中，Ti、Zr(Hf)、O三種元素形成有序相，達到降低鈦基體中氧含量和強化作用。在這種情況下，即使粉末冶金鈦制品中的氧含量高于3200ppm，但是鈦基體中的氧元素被Zr、Hf元素奪去，形成Ti-Zr(Hf)-O有序相，使得鈦基體中的氧含量大幅度降低，材料仍表現(xiàn)出優(yōu)異的塑性。并且，以超細(xì)鈦粉為原料，可實現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)實現(xiàn)燒結(jié)制品的全致密，并保證晶粒細(xì)小，進而起到細(xì)晶強化的作用，進一步提高材料強度。此外，可以根據(jù)應(yīng)用需求，調(diào)控體系中的Zr、Hf含量，最大限度固定超細(xì)鈦粉中的氧，降低固溶氧對鈦基體延展性的不利影響，進而得到高性能的粉末冶金鈦及鈦合金。本發(fā)明工藝簡單、無需額外設(shè)備即可解決超細(xì)鈦粉氧含量過高的問題，保證最終鈦制品的力學(xué)性能，為粉末冶金鈦及鈦合金固氧提供新思路，有利于推動粉末冶金鈦工業(yè)化發(fā)展。

為了獲得上述的一種超細(xì)鈦粉制備高性能粉末冶金鈦及鈦合金的方法，其特征在于，具體制備步驟如下：

(1)將海綿鈦與海綿鋯鉿按照質(zhì)量配比99.5:0.5-95:5進行稱量，并裝入混料罐中，混合0.5-2h，混合后放入氫氣爐中進行氫化處理，氫化溫度350-800℃，保溫3-10h，得到氫化料；