[发明专利]一种粉末冶金钛合金棒材的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于粉末冶金材料领域，具体涉及一种高性能粉末冶金钛合金棒材的制备方法。

背景技术

钛合金具有密度小(4.51g/cm³、约为钢的40％)、强度高(可达到1000MPa以上)、抗疲劳好(疲劳极限是钢的两倍)、抗腐蚀性能优异、良好生物相容性、无磁性等优点，一直享有“太空金属”、“海洋金属”等美誉，适于作为紧固件材料使用。应用钛合金紧固件产生的减重效果，对提高飞机和航天器的推进力、增加航/射程、节省燃料、减少发射费用等都有重要意义。在现代飞机制造中，一架飞机所用的连接紧固件少则几十万件，多则几百万件，如美国的银河C5运输机采用了150万个钛紧固件，结构减重1.2吨，波音747客机的螺纹紧固件中钛合金紧固件占比高达90％，单机减重达1.8吨以上，仅航空一项，每年的钛合金紧固件需求量就超过5亿件。钛合金紧固件不仅在航空、航天领域具有旺盛的需求，而且由于其优异的抗腐蚀性能，在舰船制造(含潜艇等)以及石油、化工、轻工、电力、冶金等一些存在重腐蚀环境的工业领域都具有巨大的应用潜力。此外，钛合金紧固件还在生物医药及人体植入材料、高档民用生活品(如体育用品、装饰用品等)都有广泛的应用。

目前，紧固件用钛合金棒材的制备主要采用的是铸锭冶金工艺，制备流程包括多次真空自耗熔炼、开坯锻造、下料、轧制、拉拔等多道工艺，该工艺的流程长，熔炼及高温锻造的能量消耗大，设备投入惊人，这使得采用铸锭冶金工艺制备的材料成本较高。粉末冶金工艺由于具有原材料成本低、工艺流程短、能量消耗小、设备投入小等优点，具有显著降低材料成本的作用。有研究表明，对于某些复杂零部件，粉末冶金工艺制备的零部件成本可降低50％～70％，是制备低成本紧固件用钛合金棒材的潜在技术之一。

常规的粉末冶金工艺中，成形工艺通常采用模压法，但模压法成形过程中粉末与模壁间存在摩擦，且钛合金加工硬化的特性，使得模压成形制得的生坯有孔隙度高的缺陷，从而导致了成品的力学性能偏低。肖代红等人还提出一种通过改进后的模压和真空热压烧结制备钛合金的方法(CN201010528383.1)，该方法能制备致密度99％以上的钛合金，但产品尺寸受模压法限制，达不到紧固件用钛合金棒材尺寸及高径比的要求。闫志巧等人提出用润滑剂润滑模具内壁，并通过高速压制(HVC)来制备Ti-6Al-4V合金(CN201110098932.0)，烧结后制备的钛合金致密度为95.1％～97.8％。李宝干等人提出了一种钛及钛合金粉末冶金异形制备方法(参见CN201110379365.6号中国专利申请公开文献)，采用氢化、球磨、冷等静压和真空烧结可以制备出致密度97.5％的钛合金。但上述两种方法均但该方法难以制备大尺寸、同时具有大高径比的紧固件用钛合金棒材。肖代红等人提出了一种含银粉末冶金钛钼铝钒合金及其制备方法(参见CN201010125198.8号中国专利申请公开文献)，添加银主要是为了改善生坯的成形性，在真空烧结后，合金致密度为85％～95％，产品的致密度偏低，性能受到很大影响，无法满足紧固件需求。目前，对于采用粉末冶金工艺制备紧固件用低成本高性能的钛合金棒材的研究还未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种成本低、投入小、性能好的粉末冶金钛合金棒材的制备方法，该粉末冶金钛合金棒材可用于制作高性能紧固件。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种高性能粉末冶金钛合金棒材的制备方法，包括以下步骤：

(1)以Ti粉、合金元素粉为原料，所述合金元素粉为Al粉、V粉、Mo粉、Fe粉、Mn粉、Zr粉、及前述元素的中间合金粉中的一种或者几种；将所述Ti粉、合金元素粉充分混合均匀，其中合金元素粉的质量比控制在15％以内；

(2)将步骤(1)混合后的粉末装入冷等静压压套，进行冷等静压处理，制得生棒坯；

(3)将步骤(2)制得的生棒坯进行真空烧结，随炉冷却后制得烧结棒坯；

(4)将步骤(3)制得的烧结棒坯进行低温热塑性变形处理，得到大高径比的粉末冶金钛合金棒材。

上述本发明的制备方法中，优选的，所述合金元素粉为Al-V中间合金粉，且除少量不可避免的杂质元素，原料中不含除Ti粉、Al-V中间合金粉以外的其他元素成分；所述Al-V中间合金粉中Al与V的质量比控制在6∶4。