[发明专利]一种钛铝合金的烧结工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛铝合金的烧结工艺，属于合金制备技术领域。

背景技术

钛铝合金密度低、耐热性好，具有高的比强度、比刚度，以及高的抗高温蠕变性能和抗氧化能力，且生物相容性优异，因而成为超高音速飞行器和下一代先进航空发动机的首选材料，除了在航空航天领域外，钛铝合金在化学工业、人体植入物如髋关节替代品或者近海工业、能源工业中的应用也逐渐增加。此外钛铝合金在体育用品和日常消费品领域，如高尔夫球棒、自行车或珠宝饰物中的需求量也越来越多，使得钛铝合金已经成为了我们日常生活中的一部分。钛铝合金在汽车用材上的应用也已引起人们的关注。

目前，制备钛铝合金的方法主要有粉末烧结、铸锭冶金等。这些方法都是采用纯金属钛与金属铝等作为原料，但由于金属钛价格非常昂贵，这就使得制备钛铝合金的成本非常高，难以将钛铝合金大规模生产。中国专利申请(公开号CN101871055A)公开了一种生产钛铝合金的方法，以钛的氧化物钛白粉作为原料进行冶炼，该方法相比传统方法，降低了钛铝合金的生产成本，但是该方法存在如下缺点：所得的钛铝合金产品氧含量较高，杂质含量高等。

且以目前方法获得的钛铝合金强度和塑性作为反比存在，当钛铝合金具有良好的强度时，其塑性较差，当塑性好时，强度差，这些问题严重地制约了其使用。

发明内容

针对现有技术钛铝合金存在的缺点，本发明提供一种钛铝合金的烧结工艺，获得的钛铝合金具有良好强度和韧性。

本发明的上述目的可通过下列技术方案来实现：一种钛铝合金的烧结工艺，所述烧结工艺包括以下步骤：

S1、将原料混合，其中原料为氢化钛、铝粉、氢化锆以及三氧化二硼，随后添加PVA水溶液进行水基球磨，球磨时间2-5h；

S2、将上述混合粉末装入模具施加超声波处理，随后施以压力成型，反复施加超声波处理、压力处理3-5次，得成型坯体；

S3、将上述成型坯体在高温真空炉内氩气保护下烧结，烧结温度为1900-2100℃，炉内温度达到烧结温度后保温烧结3-5h。

本发明以氢化钛、铝粉、氢化锆以及三氧化二硼作为钛铝合金的原料，其中锆在钛铝合金中主要起固溶强化作用，与铝一起还起到稳定α相的作用，可提高合金室温及高温的抗拉强度和耐热性能。原料中的三氧化二硼能明显降低烧结温度，形成液相烧结，有助于降低孔隙率，提高致密度机械性能。在球磨过程中通过添加适量的PVA水溶液，不仅仅可以起到粘结剂的作用，还可以在在一定程度上作为碳源，而且PVA作为一种极性材料，溶于水溶液，对环境污染小，易降解，并且与原材料表面具有良好的亲和力，改善研磨时各原料粉体之间的相容性，促进材料粉体互容均化。混合粉末装入模具后，先使用超声波处理，利用超声波的空化效应以去除混合粉末中的空气，增加粉末致密度，然后再对粉末施以压力成型，在反复施加超声波处理、施以压力处理3-5次下，逐渐去除粉末中的空气，压实粉末，使得模具内的粉末变得紧密均匀，提高后续烧结质量；超声波的独特效应有利于合金晶粒组织的细化。

作为优选，所述S2步骤中，每次施加超声波的功率为500-800W、超声30-60s，每次施加的压力为50-100MPa、保压30-60s。对粉末施加的压力应该适宜，压力过大，模具中的粉末被紧密压实，后续超声波处理也很难将粉末内的空气排出，压力过小，不能起到成型目的。

作为优选，所述模具内表面设有多孔石墨层，所述多孔石墨孔径为0.5-10nm。钛铝合金在烧结过程中，各成分呈熔融状态，在此过程中易产生气体(包括氧气)以及杂质，对烧结质量产生非常恶劣的影响，然而烧结是真空密封环境下进行，因此很难对产生的气体和杂质进行净化处理。本发明在模具内表面设置多孔石墨层，孔径为0.5-10nm，其能有效吸附烧结过程中产生的气体和杂质，净化钛铝合金，细化晶粒，提高了烧结活性，从而提高烧结密度。

作为优选，所述原料中氢化钛所占重量比为65-75％，铝粉所占重量比为15-20％，氢化锆所占重量比为5-10％以及三氧化二硼所占重量比为2-5％。