[发明专利]使用冲击加载制造粉末金属部件的方法

说明书

技术领域

本发明总的涉及使用粉末冶金来产生增强的钛基结构，更具 体地，涉及制造用于汽车及其他运输工具应用的钛合金金属基体复合材 料基构件。

背景技术

粉末冶金(PM)是汽车、轮船、飞机的构件制造中使用的 重要工艺。PM典型地包括将金属粉末与合金材料混合，其可被压成近 终形状，然后在受控制的气氛下烧结以形成永久冶金结合。名称为 《METHOD OF MAKING TITANIUM ALLOY BASED AND TiB REINFORCED COMPOSITE PARTS BY POWDER METALLURGY PROCESS》的在先美国专利申请No.11/955,673(此后称为′673申请) 公开了一种制造PM钛瓷复合材料部件(例如发动机连杆)的方法，该 方法包括：通过将钛合金基体材料与陶瓷基增强材料混合以形成混合 物，压制该混合物，烧结该压制好的混合物并闭模锻造或相变致密化， 所述′673申请全部为本发明的申请人所拥有并因此通过引用将其并入。

因为钛合金具有所需的结构特性，例如高的比强度和优良的 耐腐蚀性，所以它们尤其适合于汽车应用，该应用包括发动机中的阀、 座圈、阀弹簧、连杆，以及车体及底盘中的传动系及半轴、螺栓及紧固 件、螺旋悬架弹簧及排气系统。增强体(例如颗粒增强体)可用于增进 它们的结构特性，例如弹性模量(刚性的量度)、耐磨性和耐热性。二 硼化钛(TiB₂)颗粒通常用作这种颗粒增强体，PM是一种用节约成本 的方式以TiB₂实现颗粒增强的方法，但是也可使用其他陶瓷增强材料， 例如碳化钛(TiC)或氮化钛(TiN)。

然而，需要更高密度的钛基MMC构件。还需要以更短的工 艺周期时间和更低的成本得到这种提高密度的构件。

发明内容

这些需要由本发明满足，其中公开了结合下面讨论的特征的 方法与装置。根据本发明的第一方面，公开了制造粉末金属构件的方法， 在一种形式中，部件由Ti-6Al-4V/TiB MMC通过粉末冶金制造，并且在 更具体的形式中，部件通过冲击加载压制。除了更短的工艺时间和更低 的成本以外，冲击加载粉末压制(相比于传统的压制方法)不限于小尺 寸应用。而且，在压块中可保持原始粉末特性，合金可由独特成分产生， 可制造非化学计量成分和非平衡结构。而且，形成的部件密度接近理论 密度，经常超过99％。

除了上述混合、压制和烧结操作以外，可采取其他可选步骤。 构件可为由钛合金基体与分散在基体内的TiB₂增强颗粒制造的复合材 料。TiB₂与元素钛在烧结过程中反应以产生TiB(如制造好的MMC中 的增强颗粒)，其在钛合金中仅为热力学稳定的。烧结包括将材料加热 至稍低于其熔点的温度，使得混合物中的前驱体材料的相异颗粒通过固 态扩散而相互附着。烧结可优选地在受控制的气氛中进行以避免氧化及 相关污染。

尽管本领域的技术人员将认识到可使用多种钛基体，但是某 些合金显示了尤其适合于结构构件，例如那些在航空航天和汽车应用中 遇到的构件。这些包括β钛、α-2钛、γ钛及其组合。可用于本发明的 β钛的例子包括具有大约6wt％铝和大约4wt％钒的钛(即，本文中称为 Ti-6Al-4V或要不然称为Ti 6-4)，以及具有大约6wt％铝，大约2wt％锡， 大约4wt％锆和大约2wt％钼的钛(即，Ti 6-2-4-2)。本发明人发现 Ti-6Al-4V基于相对丰度，化学相容性和处理便利性在复合材料增强的 汽车构件的制造中是特别有用。而且，TiB₂为Ti-6Al-4V基复合材料的 尤其可相容的增强体。

在另一个选择中，构件是在飞机、轮船、汽车及相关内燃机 中使用的连杆。在本文中，术语“汽车”意图指代不仅轿车，而是卡车、 摩托车、公共汽车及相关运输车辆模式。在发动机相关应用中，高机械 加载和高温同时存在。汽车构件的其他例子(其中本方法和钛基MMC 可发现有益应用)包括：阀、座圈、阀弹簧、螺栓、紧固件、螺旋悬架 弹簧及排气系统。