[发明专利]一种Ti‑6Al‑4V合金的热压烧结方法

说明书

技术领域

本发明涉及合金的热压烧结技术，具体是指一种钛合金的热压烧结方法。

背景技术

钛由于具有比强度高、耐腐蚀性能好、生物相容性优异等特点被广泛应用于航空航天、生物医用等行业。但传统钛及钛合金加工工艺复杂，生产成本高，严重阻碍了钛的进一步市场应用。粉末冶金作为一种近净成形方法，可以降低生产成本，尤其适合于钛这样昂贵的材料。因此，目前钛及钛合金的粉末冶金技术已成为研究热点。

航空航天、生物医用等高新技术行业对粉末钛合金性能要求高，原材料一般需采用高品质的球形钛合金粉末。钛由于具有加工硬化速率高的特点，采用传统模压方法比较难以致密化。尤其是球形钛合金粉末更是难以致密化，目前一般采用热等静压方法进行成形固结，成本非常高。热压方法与热等静压方法一样，成形伴随着固结，适用于烧结球形钛合金粉末，但成本低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种具有优良综合力学性能的Ti-6Al-4V合金的热压烧结方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：将4~6:6~4质量比的50~75μm和300~420μm的Ti-6Al-4V合金粉混合均匀；将合金粉置于模具中，按升温速率5~10℃/min，在温度1050~1200℃，压力30~50MPa，真空度≤10^-3Pa下，烧结40~60min，即获得本发明所述的粉末钛合金。

研究发现，利用不同粒径的球形Ti-6Al-4V粉，采用真空热压方法进

行烧结，当烧结温度超过1100℃时，样品的致密度达到98%以上，接近热等静压的水平，微观形貌为α-Ti+β-Ti等轴晶。原始粉末越细，烧结样品晶粒尺寸越小，烧结样品的塑性越好。在烧结温度为1100℃，升温速率为6℃/min、保温时间为60min的条件下，当粒径为50~75μm(200~270目)时，样品延伸率为15.2%。当粒径增大到300~420μm(40~50目)时，样品延伸率只有3.9%，为脆性断裂，基本不能作为结构材料使用。

研究还发现，将50~75μm的细粉按一定比例加入300~420μm粗粉中，可以形成细晶和粗晶混合的微观组织，大幅提高其塑性，延伸率接近纯细粉烧结产品的水平。如果低于此比例范围，则对粗粉烧结产品的性能改善不大。对于高品质的球形钛合金粉，越细制备成本越高。比如50~75μm粉的售价是300~420μm粉的10倍以上。采用纯细粉进行热压烧结，原材料成本会很高，导致产品缺乏市场竞争力。如果将高品质球形钛合金粉采用粗细搭配混合，制得粉末钛合金接近纯细粉烧结产品的性能，并可大幅降低产品的成本，具有重要的意义。

本发明制备方法的原理为：将Ti-6Al-4V的粗粉和细粉按一定比例混合，由于粗粉的晶粒比细粉的要大，这种原始粉末晶粒大小差异会相应遗传在烧结产品的晶粒中，最终形成粗晶和细晶混合的微观组织。通过调控粗粉和细粉的比例，可控制烧结产品粗晶和细晶的含量，从而影响烧结产品的力学性能。这种组织相比单一的粗晶结构，能大幅提高塑性，强度也有所增加。本发明方法简单，制备工艺易控制，可有效降低热压烧结Ti-6Al-4V合金的成本，有利于其市场应用推广。

附图说明

图1为实施例1制备的Ti-6Al-4V合金的金相照片。

图2为实施例1制备的Ti-6Al-4V合金的室温拉伸应力应变曲线。

具体实施方式

通过如下实施例及其附图对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

实施例1

将50~75μm和300~420μm的球形Ti-6Al-4V粉按4:6的比例混合均匀后倒入石墨模具。将模具置于真空热压烧结炉中，抽真空到10^-3Pa，压力30MPa，以6℃/min的烧结速率升温到1100℃，保温60min。随炉冷却后得到Ti-6Al-4V合金。其致密度达到98.1%，室温抗拉强度为804MPa，延伸率为12.5%。

实施例2

将50~75μm和300~420μm的球形Ti-6Al-4V粉按5:5的比例混合均匀后倒入石墨模具。将模具放置于真空热压烧结炉中，抽真空到10^-3Pa，压力40MPa，以10℃/min的烧结速率升温到1200℃，保温50min。随炉冷却后得到Ti-6Al-4V合金。其致密度达到98.3%，室温抗拉强度为810MPa，延伸率为13.9%。

实施例3

将50~75μm和300~420μm的球形Ti-6Al-4V粉按6:4的比例混合均匀后倒入石墨模具。将模具放置于真空热压烧结炉中，抽真空到10^-3Pa，压力50MPa，以8℃/min的烧结速率升温到1050℃，保温60min。随炉冷却后得到Ti-6Al-4V合金。其致密度达到98.3%，室温抗拉强度为814MPa，延伸率为14.5%。