一種TiAl合金粉末近凈成型的方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種TiAl合金粉末近凈成型的方法，該方法特別適用于TiAl合金粉末成型。該方法首先將制備所需成形構(gòu)件的蠟?zāi)＃缓罄谜辰Y(jié)劑及氧化物陶瓷粉末配制涂料，將涂料涂覆到蠟?zāi)１砻妫?jīng)過(guò)干燥、脫蠟、燒結(jié)處理得到具有一定厚度、強(qiáng)度及高溫塑性的陶瓷模；將TiAl合金粉末填入陶瓷模當(dāng)中并振實(shí)，再將陶瓷模置入金屬包套當(dāng)中，并在金屬包套與陶瓷模之間填充金屬氧化物砂，然后將金屬包套抽真空并封焊，最后對(duì)金屬包套進(jìn)行熱等靜壓，陶瓷模在高溫高壓作用下塑性變形收縮，使TiAl合金粉末被壓縮致密化而成形出所需形狀的構(gòu)件。該方法能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)件近凈成形，組織細(xì)小均勻，不出現(xiàn)冶金缺陷，且成形溫度低，避免了金屬與陶瓷模之間的界面反應(yīng)。
【專利說(shuō)明】一種TiAI合金粉末近凈成型的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種TiAl合金粉末近凈成型的方法，屬于粉末冶金領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]TiAl合金具有密度小、高溫力學(xué)性能好及高溫抗氧化能力較強(qiáng)等特點(diǎn)，使用溫度可達(dá)860°C以上，是優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料。但阻礙其大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸在于其室溫塑性和難加工性。TiAl合金熔融液體的流動(dòng)性差，采用傳統(tǒng)的鑄造工藝存在其鑄件中存在大量氣孔和疏松，且鑄態(tài)組織晶粒粗大，澆鑄后產(chǎn)品的室溫延性低，實(shí)際應(yīng)用受到限制。而鍛造可以使組織性能得到很好的改善，但對(duì)于一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，使用鍛造成形也存在困難。粉末冶金工藝可以很好的解決這些問(wèn)題，它不僅實(shí)現(xiàn)了近凈成形，而且避免了鑄造所帶來(lái)的缺陷和成分偏析，隨著高性能粉末制備和致密化工藝的改進(jìn)，粉末冶金TiAl合金的室溫脆性問(wèn)題已基本解決，力學(xué)性能接近于鍛造合金。
[0003]目前，研究較為廣泛的金屬粉末近凈成形方法主要分為熱等靜壓成形、激光燒結(jié)成形、噴射成形、注射成形、壓制成形等。專利200610019368及200610125223介紹了激光燒結(jié)成形結(jié)合熱等靜壓處理，能夠快速制造成整體，完全致密構(gòu)件；專利201010604451提供一種單向壓制結(jié)合燒結(jié)的方法成形金屬靶材的方法，能大幅度提高產(chǎn)品純度。熱等靜壓成形由于能夠一次性實(shí)現(xiàn)材料的全致密，工藝較成熟，是一種理想的粉末成型方法，專利200880117256采用石墨模具進(jìn)行熱等靜壓，可成形2米長(zhǎng)的構(gòu)件；專利200980109812提供一種熱等靜壓用型芯及其使用方法，用于成形要求精確內(nèi)腔結(jié)構(gòu)構(gòu)件。文獻(xiàn)方面，“316L粉末熱等靜壓致密化過(guò)程數(shù)值模擬”模擬了粉末包套熱等靜壓的變形過(guò)程，“熱壓金屬粉末變形機(jī)構(gòu)探討”探討了該過(guò)程中粉末收縮變形理論。
[0004]利用粉末熱等靜壓不僅能夠?qū)崿F(xiàn)材料的凈近成形，而且一次性實(shí)現(xiàn)粉末的全致密，性能好，在成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大的材料方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。塑性陶瓷是一種新型的陶瓷材料，在高溫和壓力作用下能夠發(fā)生塑性變形。陶瓷化學(xué)惰性好，與金屬材料在高溫下幾乎不發(fā)生反應(yīng)，在金屬材料熱成形領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明利用陶瓷模在高溫高壓作用下產(chǎn)生收縮變形，實(shí)現(xiàn)陶瓷模內(nèi)部TiAl合金粉末的收縮致密化而成型得到所需形狀的構(gòu)件。
[0006]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
[0007]該種TiAl合金粉末近凈成型的方法，該方法首先制備塑性陶瓷模和金屬包套，然后在塑性陶瓷模內(nèi)填充TiAl合金粉末，將已經(jīng)填充TiAl合金粉末的塑性陶瓷模裝入金屬包套中，焊好金屬包套的上端蓋，進(jìn)行熱等靜壓成形，其特征在于:在塑性陶瓷模與金屬包套之間填充陶瓷粉末，并振實(shí)，然后對(duì)金屬包套內(nèi)進(jìn)行高溫脫氣處理，處理溫度為300?700°C，處理真空度為Kr2?KT5Pa ；
[0008]所述陶瓷粉末為氧化釔砂、氧化鋯砂或氧化鋁砂，粒度范圍為0.1mm?Imm ;[0009]TiAl合金粉末平均粒度范圍為20?200微米。
[0010]熱等靜壓成形時(shí)，應(yīng)首先升高溫度到750°C?850°C，然后升高壓力至100?200MPa，升壓速率為0.1?5MPa/min，之后繼續(xù)升高溫度至1100°C?1350°C，升溫速率為I?20°C /min,并保溫I?6小時(shí)。
[0011]制備金屬包套的材料為304不銹鋼、低碳鋼或純鈦金屬。
[0012]塑性陶瓷模制備的過(guò)程是:首先制備出所需成型形狀的蠟?zāi)＃缓髮⒔饘傺趸锓勰┘罢辰Y(jié)劑按照一定比例均勻混合配制成涂料，將調(diào)制好的涂料多次均勻的涂覆到蠟?zāi)１砻妫?jīng)過(guò)干燥、脫蠟、燒結(jié)處理，得到具有一定空腔形狀、厚度和強(qiáng)度的陶瓷模殼；
[0013]熱等靜壓成形后，將金屬包套冷卻取出，使用機(jī)加工方法剝離金屬外包套，清除陶瓷粉及陶瓷模，吹沙處理后得到所需成形的構(gòu)件。
[0014]本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)是:一次性實(shí)現(xiàn)TiAl合金粉末的全致密；相對(duì)于傳統(tǒng)熱等靜壓成形工藝成本低、易于脫模；采用蠟?zāi)Ｔ煨停芍圃斐鲚^復(fù)雜的形狀、制作難度低；以陶瓷材料為模具，與TiAl合金粉末反應(yīng)性低、對(duì)壓坯形狀適應(yīng)性好、易剝離，適合生產(chǎn)復(fù)雜形狀粉零部件。
【具體實(shí)施方式】
[0015]實(shí)施例1
[0016]選擇直徑15mm，長(zhǎng)80mm的圓棒為預(yù)成型構(gòu)件進(jìn)行陶瓷模熱等靜壓成形，實(shí)施步驟如下:
[0017]1.制備圓棒蠟?zāi)＃粚①|(zhì)量百分含量分別為68%、30%及2%的氧化鋁粉、二氧化硅和二氧化鈦粉均勻混合，然后按照粉液質(zhì)量百分比2:1加入硅溶膠，攪拌均勻配制成涂料；將調(diào)制好的涂料均勻涂覆到蠟?zāi)１砻妫稍?小時(shí)；重復(fù)進(jìn)行涂料和干燥步驟6次，干燥24小時(shí)后脫蠟，在1100°C燒結(jié)處理，冷卻后得到陶瓷模；
[0018]2.采用低碳鋼制備厚度為3mm，直徑為50mm，高為120mm的金屬包套；
[0019]3.將平均粒度20微米的鈦鋁合金粉末填充進(jìn)入陶瓷模當(dāng)中并振實(shí)，然后將已經(jīng)填充鋼粉的陶瓷模中裝入不銹鋼包套中間，并在陶瓷模周圍填充平均粒徑為Imm的氧化鋯砂，振實(shí)；
[0020]4.焊接好金屬包套端蓋，對(duì)包套在300°C進(jìn)行脫氣處理，真空度達(dá)到10_2Pa，并封焊抽氣管；
[0021]5.將封焊好的金屬包套進(jìn)行熱等靜壓，先升溫至800°C，再緩慢升壓至lOOMPa，升壓速率2MPa/min，然后升溫至1100°C，升溫速率為10°C /min，保溫2小時(shí)；
[0022]6.冷卻取出后，使用機(jī)加工方法剝離金屬包套，清除陶瓷粉及陶瓷模，吹沙處理后得到完整成形的圓棒試樣。
[0023]實(shí)施例2
[0024]選擇直徑15mm，長(zhǎng)80mm的圓棒為預(yù)成型構(gòu)件進(jìn)行陶瓷模熱等靜壓成形，實(shí)施步驟如下:
[0025]1.制備圓棒蠟?zāi)＃粚①|(zhì)量百分含量分別為70%、30%的氧化釔粉、氧化鋯粉均勻混合，然后按照粉液質(zhì)量百分比2:1加入釔溶膠，攪拌均勻配制成涂料；將調(diào)制好的涂料均勻涂覆到蠟?zāi)１砻妫稍?小時(shí)；重復(fù)進(jìn)行涂料和干燥步驟6次，并干燥24小時(shí)后脫蠟，在1450°C燒結(jié)處理，冷卻后得到陶瓷模；
[0026]2.采用304不銹鋼制備厚度為3mm，直徑為50mm，高為120mm的金屬包套；
[0027]3.將平均粒度200微米的TiAl合金粉末填充進(jìn)入陶瓷模當(dāng)中并振實(shí)，然后將已經(jīng)填充鋼粉的陶瓷模中裝入不銹鋼包套中間，并在陶瓷模周圍填充平均粒徑為0.5mm的氧化釔砂，振實(shí)；
[0028]4.焊接好金屬包套端蓋，對(duì)包套在700°C進(jìn)行脫氣處理，真空度達(dá)到10_4Pa，并封焊抽氣管；
[0029]5.將封焊好的金屬包套進(jìn)行熱等靜壓，先升溫至750°C，再緩慢升壓至200MPa，升壓速率0.1MPa/min，然后升溫至1200°C，升溫速率為1°C /min，保溫4小時(shí)；
[0030]6.冷卻取出后，使用機(jī)加工方法剝離金屬包套，清除陶瓷粉及陶瓷模，吹沙處理后得到完整成形的圓棒試樣。
[0031]實(shí)施例3
[0032]選擇直徑15mm，長(zhǎng)80mm的圓棒為預(yù)成型構(gòu)件進(jìn)行陶瓷模熱等靜壓成形，實(shí)施步驟如下:
[0033]1.制備圓棒蠟?zāi)＃粚①|(zhì)量百分含量分別為95%、5%的氧化鋯粉、二氧化鈦粉均勻混合，然后按照粉液質(zhì)量百分比2:1加入鋯溶膠，攪拌均勻配制成涂料；將調(diào)制好的涂料均勻涂覆到蠟?zāi)１砻妫稍?小時(shí)；重復(fù)進(jìn)行涂料和干燥步驟6次，干燥24小時(shí)后脫蠟、在1500°C燒結(jié)處理，冷卻后得到陶瓷模；
[0034]2.米用304不銹鋼制備厚度為3mm,直徑為50mm,高為120mm的金屬包套；
[0035]3.將平均粒度100微米的鈦鋁合金粉末填充進(jìn)入陶瓷模當(dāng)中并振實(shí)，然后將已經(jīng)填充鋼粉的陶瓷模中裝入不銹鋼包套中間，并在陶瓷模周圍填充平均粒徑為0.1mm的氧化招砂，振實(shí)；
[0036]4.焊接好金屬包套端蓋，對(duì)包套在400°C進(jìn)行脫氣處理，真空度達(dá)到10_3Pa，并封焊抽氣管；
[0037]5.將封焊好的金屬包套進(jìn)行熱等靜壓，先升溫至850°C，再緩慢升壓至lOOMPa，升壓速率5MPa/min，然后升溫至1350°C，升溫速率為20°C /min保溫4小時(shí)；
[0038]6.冷卻取出后，使用機(jī)加工方法剝離金屬包套，清除陶瓷粉及陶瓷模，吹沙處理后得到完整成形的圓棒試樣。
[0039]實(shí)施例4
[0040]選擇直徑15mm，長(zhǎng)80mm的圓棒為預(yù)成型構(gòu)件進(jìn)行陶瓷模熱等靜壓成形，實(shí)施步驟如下:
[0041]1.制備圓棒蠟?zāi)＃粚⒁再|(zhì)量百分含量分別為80%、15%及5%的二氧化硅粉、氧化鋁及二氧化鈦粉均勻混合，然后按照粉液質(zhì)量百分比2:1加入鋯溶膠，攪拌均勻配制成涂料；將調(diào)制好的涂料均勻涂覆到蠟?zāi)１砻妫稍?小時(shí)；重復(fù)進(jìn)行涂料和干燥步驟6次，干燥24小時(shí)后脫蠟，在1100°C燒結(jié)處理，冷卻后得到陶瓷模；
[0042]2.采用純鈦制備厚度為3mm,直徑為50mm,高為120mm的金屬包套；
[0043]3.將平均粒度45微米的鈦鋁合金粉末填充進(jìn)入陶瓷模當(dāng)中并振實(shí)，然后將已經(jīng)填充鋼粉的陶瓷模中裝入不銹鋼包套中間，并在陶瓷模周圍填充平均粒徑為0.5mm的氧化釔砂，振實(shí)；[0044]4.焊接好金屬包套端蓋，對(duì)包套在500°C進(jìn)行脫氣處理，真空度達(dá)到10_4Pa，并封焊抽氣管；
[0045]5.將封焊好的金屬包套進(jìn)行熱等靜壓，先升溫至800°C，再緩慢升壓至170MPa，升壓速率3MPa/min，然后升溫至1250°C，升溫速率為5°C /min，保溫4小時(shí)；
[0046]6.冷卻取出后，使用機(jī)加工方法剝離金屬包套，清除陶瓷粉及陶瓷模，吹沙處理后得到完整成形的圓棒試樣。
[0047]與現(xiàn)有技術(shù)相比，該發(fā)明方法更適用于成形熔點(diǎn)溫度高，加工難度大的TiAl合金，是生產(chǎn)形狀復(fù)雜粉末冶金零部件的理想方法。
【權(quán)利要求】
1.一種TiAl合金粉末近凈成型的方法，該方法首先制備塑性陶瓷模和金屬包套，然后在塑性陶瓷模內(nèi)填充TiAl合金粉末，將已經(jīng)填充TiAl合金粉末的塑性陶瓷模裝入金屬包套中，焊好金屬包套的上端蓋，進(jìn)行熱等靜壓成形，其特征在于:在塑性陶瓷模與金屬包套之間填充陶瓷粉末，并振實(shí)，然后對(duì)金屬包套內(nèi)進(jìn)行高溫脫氣處理，處理溫度為300?700°C，處理真空度為Kr2?KT5Pa ； 所述陶瓷粉末為氧化釔砂、氧化鋯砂或氧化鋁砂，粒度范圍為0.1mm?Imm ; TiAl合金粉末平均粒度范圍為20?200微米。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiAl合金粉末近凈成型的方法，其特征在于:熱等靜壓成形時(shí)，應(yīng)首先升高溫度到750°C?850°C，然后升高壓力至100?200MPa，升壓速率為0.1?5MPa/min，之后繼續(xù)升高溫度至1100°C?1350°C，升溫速率為I?20°C /min，并保溫I?6小時(shí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiAl合金粉末近凈成型的方法，其特征在于:制備金屬包套的材料為304不銹鋼、低碳鋼或純鈦金屬。
【文檔編號(hào)】B22F3/16GK103586468SQ201310552493
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月8日
【發(fā)明者】朱郎平, 李建崇, 南海, 黃東, 趙嘉琪 申請(qǐng)人:中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院