[发明专利]一种添加改性剂的粉末冶金制备钛材的方法

说明书

一种添加改性剂的粉末冶金制备钛材的方法。本发明涉及一种粉末冶金制备钛材的方法。本发明目的是为了解决现有粉末冶金法制备出的钛材的由于组织不可控导致的组织粗大、塑性降低的问题。方法：一、机械搅拌混粉：将改性剂粉末和纯钛及钛合金粉用搅拌混料机进行机械混粉，得到复合粉末；二、烧结：将复合粉末装入抽真空的密闭容器中进行烧结，自然冷却至室温，得到组织可控的改性粉末冶金钛材的。本发明用于制备钛材的。

技术领域

本发明涉及一种粉末冶金制备钛材的方法。

背景技术

钛材与其它金属材料相比，具有较高的比强度、高温强度以及较好的耐腐蚀性等诸多优异的性能而在机械工程、生物医学、海洋工程、化工、冶金、建材及一般民用工业中，尤其是航空航天领域以及武器装备领域中得到了广泛的应用。钛材性质优良，储量丰富。从工业价值和资源寿命的发展前景看，它仅次于铁、铝而被誉为正在崛起的“第三金属”。具有非常高的强度-重量比、优秀的耐腐蚀性能、高熔点、较低的线膨胀系数等优异性能，被称为21世纪最重要的金属材料。然而钛是一种熔点高、活性非常强的金属，在高温下极易与空气中的C、O、N元素反应，大大增加了熔铸法制备钛材的困难程度。此外，熔铸法制备钛材及其构件，材料利用率低浪费大、组织粗大性能低、气孔/缩孔等铸造缺陷多。粉末冶金具有设备投入成本低、可实现产品近净成形、节约原材料、产品性能高、生产周期短等优势，克服了钛材熔铸的困难，成为了钛材零部件生产的最重要的方法之一，在欧美市场很多重要构件都采用粉末冶金钛材制备。烧结是粉末冶金制备钛材中最重要的步骤，为了使烧结制得的钛材具有较高的致密度，烧结过程往往选用较高的烧结温度和较长的保温时间，这就会使得材料组织的生长不受控制，最终导致制得钛材的综合性能较差。

发明内容

本发明是为了解决现有粉末冶金法制备出的钛材由于组织不可控导致的组织粗大、塑性降低的问题，而提供一种添加改性剂的粉末冶金制备钛材的方法。

本发明一种添加改性剂的粉末冶金制备钛材的方法按以下步骤进行：

一、机械搅拌混粉：按质量百分比将0.05％～1％的改性剂粉末和99％～99.95％的钛材粉用搅拌混料机进行机械混粉，混粉时间为1h～15h，得到复合粉末；所述钛材为纯钛或钛合金；所述改性剂粉末的粒度为0.1～5μm，所述钛材粉的粒度为37～300μm；

二、烧结：将复合粉末装入抽真空的密闭容器中进行烧结，在烧结温度为850～1500℃和压力为10～200MPa的条件下烧结0.5h～5h，自然冷却至室温，得到组织可控的改性粉末冶金钛材。

本发明的有益效果：

本发明克服了粉末冶金制备钛材晶粒粗大、组织不可控制导致的力学性能不足的问题，仅仅增加了简单、低成本的机械搅拌混粉步骤，使所制得的钛材的晶粒尺寸较直接烧结出的钛材相比得到明显的细化，抗拉强度和延伸率较传统粉末冶金方法制得的钛材得到了显著的提升，具有十分优异的综合力学性能，同时实现了材料的强化和韧化。本发明中，在机械搅拌混粉之后，将混合粉末装入磨具中进行烧结。在烧结过程中，改性剂粉末与钛材发生原位反应，从而实现较强的界面结合强度。改性剂的存在一方面可以作为钛材晶粒的形核质点，另一方面可以作为晶粒长大的障碍限制晶粒长大，两方面的作用对钛材晶粒形貌均有细化作用，晶粒细化会带来材料强度和塑性的同时提升，实现强韧化。此外，镶嵌在钛材中的改性剂可以通过阻碍位错运动以发挥强化作用。分布于晶粒内部的晶须和颗粒还可以作为晶粒内位错的捕获点，使位错限制在晶粒内部，限制位错在晶界处的集中，从而提高钛材均匀变形的能力，提高钛材的塑性。对于使用粒径为80～120μm球形TC4钛合金粉末，直接粉末冶金烧结得到钛合金的抗拉强度为889MPa，延伸率为11.31％。当加入质量分数为0.15％的TiB2改性剂后，烧结得到的钛合金的抗拉强度为975MPa，延伸率为22.84％，较传统粉末冶金制备钛材均获得了显著提升，实现了材料的强韧化。