[发明专利]高致密度钛或钛合金零部件及其粉末冶金充型制造方法

说明书

一种高致密度钛或钛合金零部件及其粉末冶金充型制造方法，属于金属零部件的粉末冶金制造领域。该方法根据高致密度钛或钛合金零部件的成分配比，称量金属粉末；混合后进行压坯，得到相对密度为80％以上的规则形状粉末压坯；加热至1000‑1400℃，保温2‑30min，得到烧结程度为20‑90％的粉末压坯；在真空或惰性气体保护下，进行快速充型，得到钛或钛合金零部件毛坯；将钛或钛合金零部件毛坯随模具降温至900℃以下，取出，进行精加工，得到高致密度和高冶金结合程度的钛或钛合金零部件。该方法可以实现近净成形致密钛或钛合金零部件的制备，具有低能耗、短流程的优点。

技术领域

本发明属于金属零部件的粉末冶金制造领域，本发明提供一种高致密度钛或钛合金零部件及其粉末冶金充型制造方法，该方法不同于传统的粉末模压成型制成接近零部件形状和尺寸的粉末坯，然后烧结粉末坯的金属零部件粉末冶金制造方法，其是一种具有规则形状的粉末坯在高温和真空或保护气氛下充型、在充型过程中实现致密化和进一步固结的钛合金零部件制造方法。

背景技术

钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀等特点，在航空航天、机械制造、国防军事和生物医疗等领域有广泛的应用。在传统的金属零部件制造业，钛合金零部件主要通过铸造、锻造或粉末冶金工艺制造。对于铸造工艺，因为钛合金液体活性非常大，钛合金熔化和铸造用的模具材料的成本都很高，所以钛合金的铸件成本很高。同时，因为铸造缺陷和铸造凝固组织粗大，铸造钛合金零部件的力学性能达不到铸锭冶金钛合金材质的力学性能水平。而对于锻造工艺，在锻造工艺条件合适的前提下，锻造工艺制造的钛合金零部件材质的综合力学性能都很好，能达到铸锭冶金钛合金的力学性能水平，但是由于金属固态流动范围的限制以及去除表面氧含量超标的脆性α层的需要，钛合金锻造工艺制造出的零部件毛坯与最终零部件的尺寸和形状相差很多，导致通常超过50％的材料要通过机加工去除，材料利用率很低。钛合金属于不易机加工金属，机加工成本很高，这导致通过锻造-机加工工艺过程制造的零部件成本很高。

粉末冶金工艺具有近净成形的优点，通过把钛合金预合金粉末，或按照合金成分要求将钛粉和其它金属粉混合得到的混合粉，通过模压制造出与零部件(如齿轮)形状和尺寸接近的粉末坯，一般粉末坯的相对密度达到90％以上，然后将粉末坯放到真空炉里进行烧结和致密化，获得相对密度在95％以上的钛合金烧结零部件。由于很难完全消除零部件内的残余孔洞，同时高温烧结造成钛合金微观组织粗大，传统粉末冶金工艺做出的零部件的材质的力学性能均达不到铸锭冶金钛合金的力学性能水平。通过锻造或热等静压可以提高钛合金粉末烧结件的材质和力学性能，但要附加成本。由于粉末的流动性有限，传统粉末模压烧结工艺制造出的零部件形状都比较简单或对称度比较高。通过金属粉末注射成形(英文：Metal Injection Molding(MIM))工艺可以制造出形状复杂的钛合金预合金或混合粉粉末坯，然后烧结粉末坯可以制造形状复杂的零部件，但这个工艺只适于制造单件质量在500克以下的零部件。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高致密度钛或钛合金零部件及其粉末冶金充型制造方法，该方法是一种新型的短流程、近净成形、低成本、钛或钛合金零部件粉末冶金制造方法。其是基于在高温下，通过粉末固结和合金化获得的细晶钛或钛合金材料具有良好的流动性，在压力的驱动下，能够填充封闭型腔，从而获得由模具型腔定义的近净成形钛或钛合金零部件毛坯。通过该方法可以达到热塑塑料注射成型技术的效果，能够快速将加热的粉末坯变成致密并具有钛合金力学和其他物理性能的零部件毛坯。该方法可以实现近净成形致密钛或钛合金零部件的制备，具有低能耗、短流程的优点。

本发明的一种高致密度钛或钛合金零部件的粉末冶金充型制造方法，包括以下步骤：

(1)混合

根据高致密度钛或钛合金零部件的成分组成和各个成分的质量百分占比，称量金属粉末；

将金属粉末混合均匀，得到混合粉末；

(2)压坯

将混合粉末进行压坯，得到相对密度为80％以上的规则形状粉末压坯；