一種TiAl合金粉末近凈成型的方法
【專利摘要】本發明是一種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件的蠟模，然后利用粘結劑及氧化物陶瓷粉末配制涂料，將涂料涂覆到蠟模表面，經過干燥、脫蠟、燒結處理得到具有一定厚度、強度及高溫塑性的陶瓷模；將TiAl合金粉末填入陶瓷模當中并振實，再將陶瓷模置入金屬包套當中，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，最后對金屬包套進行熱等靜壓，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件。該方法能實現復雜結構構件近凈成形，組織細小均勻，不出現冶金缺陷，且成形溫度低，避免了金屬與陶瓷模之間的界面反應。
【專利說明】一種TiAI合金粉末近凈成型的方法
【技術領域】
[0001]本發明是一種TiAl合金粉末近凈成型的方法，屬于粉末冶金領域。
【背景技術】
[0002]TiAl合金具有密度小、高溫力學性能好及高溫抗氧化能力較強等特點，使用溫度可達860°C以上，是優良的結構材料。但阻礙其大規模應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性差，采用傳統的鑄造工藝存在其鑄件中存在大量氣孔和疏松，且鑄態組織晶粒粗大，澆鑄后產品的室溫延性低，實際應用受到限制。而鍛造可以使組織性能得到很好的改善，但對于一些復雜結構的構件，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題，它不僅實現了近凈成形，而且避免了鑄造所帶來的缺陷和成分偏析，隨著高性能粉末制備和致密化工藝的改進，粉末冶金TiAl合金的室溫脆性問題已基本解決，力學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介紹了激光燒結成形結合熱等靜壓處理，能夠快速制造成整體，完全致密構件；專利201010604451提供一種單向壓制結合燒結的方法成形金屬靶材的方法，能大幅度提高產品純度。熱等靜壓成形由于能夠一次性實現材料的全致密，工藝較成熟，是一種理想的粉末成型方法，專利200880117256采用石墨模具進行熱等靜壓，可成形2米長的構件；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腔結構構件。文獻方面，“316L粉末熱等靜壓致密化過程數值模擬”模擬了粉末包套熱等靜壓的變形過程，“熱壓金屬粉末變形機構探討”探討了該過程中粉末收縮變形理論。
[0004]利用粉末熱等靜壓不僅能夠實現材料的凈近成形，而且一次性實現粉末的全致密，性能好，在成形結構復雜，加工難度大的材料方面具有較大的優勢，應用前景廣闊。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生塑性變形。陶瓷化學惰性好，與金屬材料在高溫下幾乎不發生反應，在金屬材料熱成形領域廣泛應用。
【發明內容】
[0005]本發明利用陶瓷模在高溫高壓作用下產生收縮變形，實現陶瓷模內部TiAl合金粉末的收縮致密化而成型得到所需形狀的構件。
[0006]本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:
[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填充TiAl合金粉末，將已經填充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，然后對金屬包套內進行高溫脫氣處理，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，應首先升高溫度到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。
[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程是:首先制備出所需成型形狀的蠟模，然后將金屬氧化物粉末及粘結劑按照一定比例均勻混合配制成涂料，將調制好的涂料多次均勻的涂覆到蠟模表面，經過干燥、脫蠟、燒結處理，得到具有一定空腔形狀、厚度和強度的陶瓷模殼；
[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件。
[0014]本發明技術方案的優點是:一次性實現TiAl合金粉末的全致密；相對于傳統熱等靜壓成形工藝成本低、易于脫模；采用蠟模造型，可制造出較復雜的形狀、制作難度低；以陶瓷材料為模具，與TiAl合金粉末反應性低、對壓坯形狀適應性好、易剝離，適合生產復雜形狀粉零部件。
【具體實施方式】
[0015]實施例1
[0016]選擇直徑15mm，長80mm的圓棒為預成型構件進行陶瓷模熱等靜壓成形，實施步驟如下:
[0017]1.制備圓棒蠟模；將質量百分含量分別為68%、30%及2%的氧化鋁粉、二氧化硅和二氧化鈦粉均勻混合，然后按照粉液質量百分比2:1加入硅溶膠，攪拌均勻配制成涂料；將調制好的涂料均勻涂覆到蠟模表面，干燥2小時；重復進行涂料和干燥步驟6次，干燥24小時后脫蠟，在1100°C燒結處理，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入陶瓷模當中并振實，然后將已經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；
[0020]4.焊接好金屬包套端蓋，對包套在300°C進行脫氣處理，真空度達到10_2Pa，并封焊抽氣管；
[0021]5.將封焊好的金屬包套進行熱等靜壓，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；
[0022]6.冷卻取出后，使用機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]實施例2
[0024]選擇直徑15mm，長80mm的圓棒為預成型構件進行陶瓷模熱等靜壓成形，實施步驟如下:
[0025]1.制備圓棒蠟模；將質量百分含量分別為70%、30%的氧化釔粉、氧化鋯粉均勻混合，然后按照粉液質量百分比2:1加入釔溶膠，攪拌均勻配制成涂料；將調制好的涂料均勻涂覆到蠟模表面，干燥2小時；重復進行涂料和干燥步驟6次，并干燥24小時后脫蠟，在1450°C燒結處理，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合金粉末填充進入陶瓷模當中并振實，然后將已經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；
[0028]4.焊接好金屬包套端蓋，對包套在700°C進行脫氣處理，真空度達到10_4Pa，并封焊抽氣管；
[0029]5.將封焊好的金屬包套進行熱等靜壓，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；
[0030]6.冷卻取出后，使用機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]實施例3
[0032]選擇直徑15mm，長80mm的圓棒為預成型構件進行陶瓷模熱等靜壓成形，實施步驟如下:
[0033]1.制備圓棒蠟模；將質量百分含量分別為95%、5%的氧化鋯粉、二氧化鈦粉均勻混合，然后按照粉液質量百分比2:1加入鋯溶膠，攪拌均勻配制成涂料；將調制好的涂料均勻涂覆到蠟模表面，干燥2小時；重復進行涂料和干燥步驟6次，干燥24小時后脫蠟、在1500°C燒結處理，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入陶瓷模當中并振實，然后將已經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；
[0036]4.焊接好金屬包套端蓋，對包套在400°C進行脫氣處理，真空度達到10_3Pa，并封焊抽氣管；
[0037]5.將封焊好的金屬包套進行熱等靜壓，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；
[0038]6.冷卻取出后，使用機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]實施例4
[0040]選擇直徑15mm，長80mm的圓棒為預成型構件進行陶瓷模熱等靜壓成形，實施步驟如下:
[0041]1.制備圓棒蠟模；將以質量百分含量分別為80%、15%及5%的二氧化硅粉、氧化鋁及二氧化鈦粉均勻混合，然后按照粉液質量百分比2:1加入鋯溶膠，攪拌均勻配制成涂料；將調制好的涂料均勻涂覆到蠟模表面，干燥2小時；重復進行涂料和干燥步驟6次，干燥24小時后脫蠟，在1100°C燒結處理，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入陶瓷模當中并振實，然后將已經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；[0044]4.焊接好金屬包套端蓋，對包套在500°C進行脫氣處理，真空度達到10_4Pa，并封焊抽氣管；
[0045]5.將封焊好的金屬包套進行熱等靜壓，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；
[0046]6.冷卻取出后，使用機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]與現有技術相比，該發明方法更適用于成形熔點溫度高，加工難度大的TiAl合金，是生產形狀復雜粉末冶金零部件的理想方法。
【權利要求】
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填充TiAl合金粉末，將已經填充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，然后對金屬包套內進行高溫脫氣處理，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.根據權利要求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，應首先升高溫度到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。
3.根據權利要求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】B22F3/16GK103586468SQ201310552493
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月8日 優先權日:2013年11月8日
【發明者】朱郎平, 李建崇, 南海, 黃東, 趙嘉琪 申請人:中國航空工業集團公司北京航空材料研究院