[发明专利]粉末冶金钛合金

说明书

一种烧结的Ti合金，其包含：4‑6重量％铁；1‑4重量％铝或1‑3重量％铜；>0‑0.5重量％硅；>0‑0.3重量％硼；>0‑1重量％镧，并且余量为具有附带杂质的钛。在相关的粉末冶金成形工艺中，优选将硼和镧的含量以硼化镧(LaB₆)的形式引入到掺混的粉末混合物中。

技术领域

本发明涉及低成本的粉末冶金钛合金及其通过简单的压制和烧结的制造方法。本发明特别适用于压制和烧结形成的合金，并且下文中参照示例性应用公开本发明将是便利的。但应理解，本发明不限于所述应用。

背景技术

以下对本发明背景的论述旨在促进对本发明的理解。然而，应理解，该论述不是确认或承认所提及的任何材料在申请的优先权日时已被公布、已知或者是公知常识的一部分。

钛合金是先进的结构材料，其具有一系列理想性质，这些理想性质对于任何其他材料都不容易实现。这些理想性质包括对海水环境的优异的耐腐蚀性、高比强度和断裂韧性、与复合材料的良好相容性、在几乎没有维护的情况下的长期耐用性、优异的生物相容性等。然而，由于传统的基于铸锭冶金的方法所涉及的生产困难性，这种合金可能具有非常低的产量。粉末冶金通过仅需要几个精加工步骤生产部件来克服这些缺点中的许多缺点。

在许多粉末冶金方法中，常规的压制和烧结或冷压塑和烧结粉末冶金方法在技术上是最简单并且在经济上是最有吸引力的近净成形制造工艺。该方法通常使用混合粉末方法，包括将钛粉末与各种合金粉末混合，随后进行压塑和烧结。该方法提供了多个优点，包括灵活地使用廉价原材料粉末、高产量和简单的工艺，与传统的基于铸锭冶金制造方法相比，这可以显著节约成本。

粉末冶金Ti组分的成本进一步降低还取决于可提供所需性质的低成本粉末冶金钛合金的可用性。从合金设计的角度来看，可以将各种合金元素引入到钛中以用于各种合金化目的。然而，从成本角度来看，优选使用较低成本或廉价的合金元素，例如铁、铝、硅、铜等。为了能够获得所需的微观结构和/或机械性能，可能需要少量成本较高的合金元素，例如稀土元素。

氢化脱氢(HDH)钛粉或直接由海绵钛制成的氢化钛粉为现有的粉末冶金Ti合金开发提供了一个有吸引力的基础，这是因为其具有可承受的价格并且氧含量可控。这两种粉末很有可能将继续是未来粉末冶金Ti市场的成本可承受的Ti粉的主要来源。

HDH Ti粉产品的氧含量在宽泛的范围内变化。廉价HDH Ti粉产品一般含有≥0.25重量％氧。Ti粉对氧(O)具有高度化学亲和性并且每个钛粉颗粒始终被表面氧化物膜包裹。然而，不同于其他金属粉末，由于O在Ti中的高溶解度(高达14重量％)，因此每个钛粉末颗粒上的表面二氧化钛膜将在高于约500℃的温度下溶解到下面的Ti金属中，从而导致固溶体中O含量增加。此外，在粉末处理工艺中，尤其是在随后的烧结工艺中，会不可避免地吸收氧气。结果，烧结态的钛组分的固溶体中的氧含量可能易于超过0.33重量％，而0.33重量％是粉末冶金(PM)Ti-6Al-4V确定的临界氧含量(重量％)[见参考文献1]。对于不同的PM Ti合金，该临界氧含量可能有所不同[见参考文献2]。然而，已经确定的是非合金Ti和Ti合金的延展性对它们的O含量敏感。因此，能够控制O含量是针对结构应用，由廉价粉末制造成本可承受的可延展Ti合金的核心。

直接将这种廉价HDH钛粉用于生产结构性钛部件在技术上具有挑战性。两个主要原因在于：

现有的商业级钛合金不是针对粉末冶金加工而设计的；因此难以通过简单的压制和烧结方法将这些合金形成到近无气孔密度(例如>99％的理论密度)；以及

烧结态的钛合金通常不具有足够的延展性(例如拉伸伸长率<4％)，或者由于前文论述的高氧含量以及大气孔的存在甚至导致缺乏延展性。

已经证明，要解决这两个挑战要求是非常高的。虽然合金设计只是问题的一个方面，但是具有低成本、易烧结的钛合金将成为实现低成本钛粉末冶金的重要起点。