本發(fā)明屬于粉末冶金領(lǐng)域，具體涉及一種鈦鋁預(yù)合金粉末置氫與兩步除氫熱等靜壓成形方法。

背景技術(shù)：

鈦鋁合金具有密度低，比強(qiáng)度高，高溫性能穩(wěn)定，耐腐蝕等突出優(yōu)點，在航空、航天、汽車、化工等領(lǐng)域有著廣范的應(yīng)用。熱等靜壓近凈成形甚至凈成形鈦鋁合金作為一種十分經(jīng)濟(jì)有效的成形技術(shù)，已開始應(yīng)用于鈦鋁合金復(fù)雜難加工零件的制備。熱等靜壓所用金屬包套和控型型芯通常為便于取材，加工及焊接性好，成本低廉的碳鋼和不銹鋼。但鈦鋁合金粉末熱等靜壓的溫度較高，通常要在1200℃以上才能獲得性能較好的鈦鋁合金熱等靜壓零件，而在較高溫度下碳鋼和不銹鋼的包套和控型型芯容易對零件表面產(chǎn)生嚴(yán)重的污染，對于鈦鋁合金，在較高溫度下，碳鋼和不銹鋼與鈦鋁合金發(fā)生嚴(yán)重的反應(yīng)生成鈦-鋁-鐵金屬間化合物，導(dǎo)致零件完全損壞。且在較高溫度下成形對相關(guān)設(shè)備的要求和損耗也較高，相應(yīng)的加工成本也較高。

利用鈦鋁預(yù)合金粉末置氫與兩步除氫熱等靜壓成形的方法成功避免了上述問題，可在較低溫度下對鈦鋁合金進(jìn)行熱等靜壓成形。

氫元素在鈦鋁合金內(nèi)部是一種可逆化的合金元素，且氫元素在鈦鋁合金中具有降低鈦鋁合金高溫流變應(yīng)力，降低β固相線的作用，進(jìn)而降低鈦鋁合金的高溫臨界成形溫度。首先對熱等靜壓用鈦鋁預(yù)合金粉末置氫處理，大量氫原子可以，以鈦和鋁氫化物的形式被保留在粉末內(nèi)部，其次鈦和鋁氫化物具有一定的穩(wěn)定性，只有在高于其分解溫度時，其才能重新分解析出氫原子，且隨著溫度的升高，分解量逐漸增多，直至完全分解，保證了熱等靜壓高溫抽真空除氣工藝過程中，置入粉末內(nèi)部氫原子的析出量及保留量可以定量控制，達(dá)到既使粉末表面氧化膜被有效的破除，又使粉末內(nèi)部保留適量的氫原子，利于其高溫成形性的改善。采用氫化處理后的粉末在較低溫度下熱等靜壓成形零件，既可有效控制零件與包套和控型型芯的界面反應(yīng)，得到氧含量低，組織細(xì)小致密，性能優(yōu)異的零件，又可降低對設(shè)備的要求和能耗。

專利文獻(xiàn)CN104550963A公開了一種利用氫化鈦合金粉末實現(xiàn)鈦合金粉末成形的方法，該方法將氫化后的鈦合金粉末裝入金屬包套中，振實后在高溫下抽真空，脫除合金的氫含量，封焊后進(jìn)行熱等靜壓，實現(xiàn)鈦合金成形。該方法通過在包套抽真空除氣環(huán)節(jié)脫除氫化鈦合金粉末中氫含量，解決了氫化鈦合金成形過程中的除氫問題。

但是專利文獻(xiàn)CN104550963A公開的一種利用氫化鈦合金粉末實現(xiàn)鈦合金粉末成形的方法存在如下問題：

(1)成形采用的粉末為循環(huán)氫破碎鈦合金粉末，粉末流動性差，不利于熱等靜壓直接近凈成形甚至凈成形復(fù)雜的零部件。

(2)成形過程中在粉末熱等靜壓前直接一次將粉末中的氫原子除去，其目的為改善鈦合金成形過程中氫含量高的技術(shù)問題。其成形溫度高，相應(yīng)對熱等靜壓成形過程中的包套、控型型芯材料及成形設(shè)備的要求高，成形的成本高昂。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供一種鈦鋁預(yù)合金粉末置氫與兩步除氫熱等靜壓成形方法，其目的是在較低溫度下對鈦鋁預(yù)合金粉末熱等靜壓成形，減小甚至避免金屬包套和控型型芯對零件的污染和損壞，降低設(shè)備要求。及降低最終熱等靜壓近凈成形甚至凈成形零件中的氧含量，細(xì)化微觀組織，提高其力學(xué)性能。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種鈦鋁預(yù)合金粉末置氫與兩步除氫熱等靜壓成形方法，該方法包括如下步驟：

(1)對鈦鋁預(yù)合金粉末置氫處理；

(2)將所述置氫后的鈦鋁預(yù)合金粉末裝填入金屬包套和控型型芯內(nèi)部，振動緊實；

(3)對所述金屬包套和控型型芯第一步抽真空脫氫除氣；

(4)對所述除氣后的金屬包套和控型型芯封焊；

(5)對所述封焊后的金屬包套和控型型芯進(jìn)行熱等靜壓致密化；

(6)去除所述金屬包套和控型型芯，得到含一定量氫原子的鈦鋁合金零件；

(7)對所述含氫原子的鈦鋁零件第二步真空退火脫氫，使其內(nèi)部氫原子含量達(dá)到允許安全線以下。

優(yōu)選地，所述置氫處理的溫度為600℃～900℃、氫分壓為0.1MPa～4Mpa、置氫時間為1～8h。

優(yōu)選地，所述抽真空溫度范圍為420℃～600℃。

優(yōu)選地，所述抽真空保溫時間為4～8h。

優(yōu)選地，所述抽真空和脫氫處理的真空度小于或等于0.001Pa。

優(yōu)選地，所述熱等靜壓的溫度為1000～1160℃、壓力為100～200Mpa、保溫保壓時間為1～4h。

優(yōu)選地，所述真空退火溫度為600～800℃、退火時間為8～48h、真空度小于或等于0.001Pa。

優(yōu)選地，所述金屬包套和控型型芯材料為碳鋼或不銹鋼。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本發(fā)明的技術(shù)方案利用含適量氫原子的鈦鋁預(yù)合金粉末熱等靜壓成形零件，通過控制氫原子的置入和析出量，達(dá)到既保持粉末的球形形貌特征，保證其良好的粉末流動性，又在氫原子適量析出的過程中達(dá)到鈦鋁預(yù)合金粉末表面氧化膜的破除，起到提高粉末蠕變、粘結(jié)、擴(kuò)散、再結(jié)晶性能的作用，并最終降低成形零件中氧含量。

(2)本發(fā)明的技術(shù)方案利用熱等靜壓成形過程中氫原子可降低鈦鋁合金高溫流變應(yīng)力，及降低β固相線作用，進(jìn)而達(dá)到降低鈦鋁合金高溫臨界變形溫度的作用，在較低溫度下熱等靜壓成形鈦鋁合金零件。降低對包套、控型型芯及熱等靜壓設(shè)備的要求，減少加工的成本。

(3)本發(fā)明的技術(shù)方案對成形后的鈦鋁合金零件真空除氫退火，又可達(dá)到細(xì)化微觀組織，提高零件綜合性能的作用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的一種鈦鋁預(yù)合金粉末置氫與兩步除氫熱等靜壓成形方法流程圖；

其中，圖1(a)為粉末置氫處理示意圖；

圖1(b)為置氫后粉；

圖1(c)為裝填置氫粉末的金屬包套和控型型芯；

圖1(d)為對裝填有置氫粉末的金屬包套和控型型芯高溫抽真空第一步脫氫除氣示意圖；

圖1(e)為對除氫后金屬包套和控型型芯封焊示意圖；

圖1(f)為對封焊的金屬包套和控型型芯熱等靜壓示意圖；

圖1(g)為熱等靜壓致密化成形零件示意圖；

圖1(h)為對成形零件第二步真空退火脫氫示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例的一種鈦鋁預(yù)合金粉末置氫與兩步除氫熱等靜壓成形方法涉及的粉末自還原破除表面氧化膜示意圖；

其中，圖2(a)為置氫后的粉末；

圖2(b)為高溫除氫自還原凈化粉末表面示意圖；

圖2(c)為表明凈化后粉末。

所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示同一個結(jié)構(gòu)元件，其中：1-包套壁、2-控型型芯、3-封焊焊口、4-置入粉末內(nèi)部的氫原子、5-粉末表面氧化層、6-水蒸氣、7-氫氣。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

圖1為本發(fā)明實施例的一種鈦鋁預(yù)合金粉末置氫與兩步除氫熱等靜壓成形方法流程圖。如圖1所示，一種鈦鋁預(yù)合金粉末置氫與兩步除氫熱等靜壓成形方法，該方法包括以下步驟：

(1)粉末預(yù)置氫處理：在溫度600℃～900℃，氫分壓0.1MPa～4MPa，保溫時間1～8h條件下對熱等靜壓用鈦鋁預(yù)合金粉末置氫處理，使其內(nèi)部置入一定量氫原子，同時不使預(yù)合金粉末破碎，影響其流動性。

(2)粉末裝填：將預(yù)先置入氫原子的鈦鋁預(yù)合金粉末裝填入金屬包套和控型型芯內(nèi)部，振動緊實。所述金屬包套和控型型芯材料為碳鋼、不銹鋼。

(3)第一步高溫真空脫氫除氣：對裝填有置氫粉末的包套和控型型芯，在420℃～600℃溫度范圍內(nèi)抽真空脫氫除氣，真空度小于0.001Pa，保溫時間4～8h，使置入粉末內(nèi)部以氫化物形式存在的氫原子發(fā)生一定量的分解析出，破除粉末表面氧化膜，利于后續(xù)熱等靜壓致密化，并降低最終零件內(nèi)部氧含量；同時使粉末內(nèi)部保留適量的氫原子，用于改善其高溫成形性。

(4)封焊：對第一步脫氫除氣后包套和控型型芯密封焊斷。

(5)熱等靜壓致密化：對封焊后的包套和控型型芯進(jìn)行熱等靜壓致密化，鈦鋁預(yù)合金粉末熱等靜壓溫度1000～1160℃，壓力100～200MPa，保溫保壓時間1～4h。

(6)去除包套和控型型芯：采用機(jī)加工方式去除金屬包套，采用化學(xué)腐蝕或電解腐蝕方式去除控型型芯，得到含一定量氫原子的鈦鋁合金零件。

(7)第二步真空退火脫氫處理：將含氫原子的鈦鋁零件在溫度600～800℃，真空度小于0.001Pa，保溫時間8～48h條件下脫氫處理，使其內(nèi)部氫原子含量達(dá)到允許安全線以下。

本發(fā)明的特點是利用氫元素在鈦鋁合金內(nèi)部的可逆化作用，還原破除鈦鋁預(yù)合金粉末表面氧化膜，及氫元素可降低鈦鋁合金高溫流變應(yīng)力，穩(wěn)定β相存在的作用，進(jìn)而降低鈦鋁合金高溫加工的臨界溫度。將氫元素作為一種臨時性合金元素加入粉末內(nèi)部，熱等靜壓過程中破除粉末表面氧化膜，改善粉末高溫成形性，實現(xiàn)鈦鋁合金粉末較低溫度下熱等靜壓成形，減小包套和控型型芯與零件的界面反應(yīng)，降低對設(shè)備的要求和能耗。

實例1

本發(fā)明實施例的一種鈦鋁預(yù)合金粉末置氫與兩步除氫熱等靜壓成形方法，運用本發(fā)明在較低溫度下制備Ti-47Al-2Cr-2Nb鈦鋁預(yù)合金熱等靜壓致密化零件的實施例，具體步驟如下：

1)在溫度750℃，氫分壓0.1MP條件下對平均晶粒直徑為100μm的Ti-47Al-2Cr-2Nb鈦鋁預(yù)合金粉末置氫處理4h，使Ti-47Al-2Cr-2Nb鈦鋁預(yù)合金粉末內(nèi)部置入適量的氫原子；

2)將置氫后的Ti-47Al-2Cr-2Nb鈦鋁合金粉末裝填入不銹鋼包套和控型型芯內(nèi)，振動緊實；

3)在溫度550℃條件下，對置氫粉末抽真空除氣，在真空度低于0.001Pa下，保持4h。對包套內(nèi)部抽真空除氣使粉末內(nèi)部以氫化物形式存在的氫原子發(fā)生一定量的分解析出，破除粉末表面氧化膜，利于后續(xù)熱等靜壓致密化，并降低零件內(nèi)部最終氧含量；同時，使粉末內(nèi)部保留一定量的氫原子含量，改善其高溫成形性；

4)將除氣后粉末封焊在不銹鋼包套和控型型芯內(nèi)；

5)將封焊后的不銹鋼包套和控型型芯在溫度1050℃，壓力170MPa，保溫保壓3h條件下，熱等靜壓致密化；

6)采用機(jī)械加工方法去除不銹鋼包套，采用化學(xué)腐蝕或電解腐蝕方式去除控型型芯，得到熱等靜壓致密化Ti-47Al-2Cr-2Nb鈦鋁合金零件；

7)對Ti-47Al-2Cr-2Nb鈦鋁合金零件在700℃，真空度小于0.001Pa下抽真空48h，脫去零件內(nèi)部氫原子，使其含量在允許安全線以下。最終得到氧含量低，組織細(xì)小致密，性能優(yōu)異的鈦鋁合金零件。

實例2

本發(fā)明實施例的一種鈦鋁預(yù)合金粉末置氫與兩步除氫熱等靜壓成形方法，運用本發(fā)明在較低溫度下制備Ti-45Al-5Nb-0.8Mo-0.3Y鈦鋁預(yù)合金熱等靜壓致密化零件的實施例，具體步驟如下：

1)在溫度700℃，氫分壓2MP條件下對平均晶粒直徑為80μm的Ti-45Al-5Nb-0.8Mo-0.3Y鈦鋁預(yù)合金粉末置氫處理6h，使Ti-45Al-5Nb-0.8Mo-0.3Y鈦鋁預(yù)合金粉末內(nèi)部置入適量的氫原子；

2)將置氫后的Ti-45Al-5Nb-0.8Mo-0.3Y鈦鋁合金粉末裝填入不銹鋼包套和控型型芯內(nèi)，振動緊實；

3)在溫度480℃條件下，對置氫粉末抽真空除氫，在真空度低于0.001Pa下，保持6h。對包套內(nèi)部抽真空脫氫除氣使粉末內(nèi)部以氫化物形式存在的氫原子發(fā)生一定量的分解析出，破除粉末表面氧化膜，利于后續(xù)熱等靜壓致密化，并降低零件內(nèi)部最終氧含量；同時，使粉末內(nèi)部保留一定量的氫原子；

4)將除氣后粉末封焊在不銹鋼包套和控型型芯內(nèi)；

5)將封焊后的不銹鋼包套和控型型芯在溫度1000℃，壓力200MPa，保溫保壓4h條件下，熱等靜壓致密化；

6)采用機(jī)械加工方法去除不銹鋼包套，采用化學(xué)腐蝕或電解腐蝕方式去除控型型芯，得到熱等靜壓致密化Ti-45Al-5Nb-0.8Mo-0.3Y鈦鋁合金零件；

7)對Ti-45Al-5Nb-0.8Mo-0.3Y鈦鋁合金零件在750℃，真空度小于0.001Pa下抽真空24h，脫去零件內(nèi)部氫原子，使其含量在允許安全線以下。最終得到氧含量低，組織細(xì)小致密，性能優(yōu)異的鈦鋁合金零件。

實例3

本發(fā)明實施例的一種鈦鋁預(yù)合金粉末置氫與兩步除氫熱等靜壓成形方法，運用本發(fā)明在較低溫度下制備Ti-45Al-2Mn-2Nb-0.8vol％TiB2鈦鋁預(yù)合金熱等靜壓致密化零件的實施例，具體步驟如下：

1)在溫度800℃，氫分壓4MP條件下對平均晶粒直徑為120μm的Ti-45Al-2Mn-2Nb-0.8vol％TiB2鈦鋁預(yù)合金粉末置氫處理1h，使Ti-45Al-2Mn-2Nb-0.8vol％TiB2鈦鋁預(yù)合金粉末內(nèi)部置入適量的氫原子；

2)將置氫后的Ti-45Al-2Mn-2Nb-0.8vol％TiB2鈦鋁合金粉末裝填入不銹鋼包套和控型型芯內(nèi)，振動緊實；

3)在溫度420℃條件下，對置氫粉末抽真空除氫，在真空度低于0.001Pa下，保持8h。對包套內(nèi)部抽真空除氣使粉末內(nèi)部以氫化物形式存在的氫原子發(fā)生一定量的分解析出，破除粉末表面氧化膜，利于后續(xù)熱等靜壓致密化，并降低零件內(nèi)部最終氧含量；同時，使粉末內(nèi)部保留一定量的氫原子含量，改善其高溫成形性；

4)將除氣后粉末封焊在不銹鋼包套和控型型芯內(nèi)；

5)將封焊后的不銹鋼包套和控型型芯在溫度1160℃，壓力150MPa，保溫保壓2h條件下，熱等靜壓致密化；

6)采用機(jī)械加工方法去除不銹鋼包套，采用化學(xué)腐蝕或電解腐蝕方式去除控型型芯，得到熱等靜壓致密化Ti-45Al-2Mn-2Nb-0.8vol％TiB2鈦鋁合金零件；

7)對Ti-45Al-2Mn-2Nb-0.8vol％TiB2鈦鋁合金零件在850℃，真空度小于0.001Pa下抽真空16h，脫去零件內(nèi)部氫原子，使其含量在允許安全線以下，最終得到氧含量低，組織細(xì)小致密，性能優(yōu)異的鈦鋁合金零件。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。