[发明专利]一种Ti-Al系合金药型罩材料及其粉末冶金制备方法

说明书

本发明提供了一种Ti‑Al系合金药型罩材料及其粉末冶金制备方法，属于合金技术领域。本发明以Al基中间合金粉末代替Al粉，可以有效避免合金氧化，减少合金的夹杂。本发明以Ti粉、TiH₂粉和Al‑Nb合金粉作为基础原料，配合添加Al‑V、Al‑Fe和Al‑Sc合金粉以及Nb粉，所得合金致密度高，杂质含量低。本发明提供了一种Ti‑Al系合金药型罩材料的制备方法，此法采用粉末冶金法，通过对混合粉体进行冷等静压成型+低压烧结的方式能获得组织均匀致密的Ti‑Al系合金药型罩材料，且成本低、一致性好，易于实现Ti‑Al系合金药型罩的工业化批量生产。

技术领域

本发明涉及合金技术领域，特别涉及一种Ti-Al系合金药型罩材料及其粉末冶金制备方法。

背景技术

在石油、矿山的开采过程中，聚能射孔技术是整个开采工艺最关键的技术之一，射孔技术的发展，对油气井增产、提高开孔效率等起到了至关重要的作用。药型罩是形成聚能射流的最核心部分，对聚能射孔效果有着重要的影响。

材料是决定药型罩聚能射流侵彻开孔效果的关键因素。目前射孔弹应用的药型罩主要为以铜为主的粉末冶金罩，其射流对岩石、混凝土的穿孔深度较低、开孔尺寸较小(例如对于强度为40MPa的混凝土，其开孔直径小于0.2倍罩径)，这大大制约了开采效率。

Ti-Al系合金属于金属间化合物，密度相比于铜较低，具有较高的弹性模量，比强度高，高温强度、抗蠕变、抗氧化能力等高温性能较高，是极具潜力的轻质高温结构材料。由于纯Ti-Al合金室温塑性不足，加工性较差，通常通过选择不同的合金元素进行合金化以改善Ti-Al系合金的性能，其中，Nb的加入能通过形成塑性较好的B2相(Ti₂AlNb)，提高Ti-Al系合金的室温塑性，同时提高其高温抗氧化、抗蠕变能力；V和Fe的加入也能进一步改善合金的塑性、提高其模量和硬度，对材料力学性能有益；Sc的加入则通过减少合金中的氧含量，改善合金的塑性。Ti-Al系合金具有优异的高温强度，作为药型罩能够形成短粗的聚能射流，实现对岩石较大开孔的效果；同时，Ti-Al系合金良好的高温塑性，使药型罩在爆炸加载条件下均匀变形能力较强，射流不易断裂，从而获得良好的穿深和射孔稳定性。

目前，Ti-Al系合金产品的制备方法主要包括：熔炼铸造和粉末冶金，其中，以钛粉等元素粉末为原料，通过冷等静压+低压烧结的方法可以实现Ti-Al系合金药型罩等Ti-Al系合金异形件的低成本批量化生产，然而，在此制备过程中，由于Al粉的熔点低，与Ti粉、Nb粉、Fe粉、Sc粉和V粉之间的元素互扩散速率相差较大，在烧结过程中发生明显的柯肯达尔效应，致使合金孔隙率较高，难以满足药型罩产品要求。此外，Ti、Al、Fe、Sc等合金元素极易氧化，在烧结过程中易引入较多杂质，对合金的性能极为不利。因此无法满足产品的使用要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种Ti-Al系合金药型罩材料及其粉末冶金制备方法，本发明提供的Ti-Al系合金药型罩材料组织均匀致密，杂质含量低，用于药型罩时开孔尺寸大，开孔效果稳定。

为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种Ti-Al系合金药型罩材料，所述Ti-Al系合金成分范围为Ti-(10～30)Al-(10～50)Nb-(0～5)V-(0～5)Fe-(0～3)Sc(wt.％)，余量为Ti；

所述Ti-Al系合金药型罩材料包括以下质量百分含量的原料:

所有原料的质量百分比之和为100％。

优选的，所述Ti粉的粒径为5～50μm，TiH₂粉的粒径为5～50μm，Al-Nb合金粉的粒径为20～200μm，Al-Fe合金粉的粒径为20～200μm，Al-Sc合金粉的粒径为20～200μm，Al-V合金粉的粒径为20～200μm，Nb粉的粒径为5～50μm。