一种Ti2AlNb粉末冶金材料的制备方法

本发明涉及钛合金制备，尤其涉及一种ti2alnb粉末冶金材料的制备方法。

背景技术：

1、钛是一种低密度、高强度、耐高温和抗氧化等综合性能优异的新材料，广泛应用于航空航天、船艇、汽车、化工、医疗器械和运动器材的制备等方面。特别是在，钛合金材料可以显著提高飞机推重比。然而，鉴于常规钛合金只能应用于600℃以下的环境中，限制了钛合金在航空航天领域方面的应用。为此，一般选择在ti3al合金中添加β稳定元素nb，形成的一种以o相为主要组成相的新材料-ti2alnb合金。ti2alnb合金具有更高的室温塑性、断裂韧度和更强的抗裂纹扩展能力，与镍基高温合金相比，使用ti2alnb合金质量降低近40％，且可在650℃～750℃范围内长期使用，成为新一代航空航天领域高温轻质结构材料，可用于制造航空发动机压气机盘、整体叶盘和机匣等关键部件。

2、现有技术中，ti2alnb合金的制备方法主要为铸造法和铸锭冶金法。铸造法和铸锭冶金法是常见的传统合金制造方法，其特点在于工艺控制及技术应用都较为成熟，已用于大规模工业化生产，是当前ti2alnb合金特别是大型ti2alnb合金构件的主要生产方式。然而，由于ti2alnb合金成分复杂且各合金元素的理化性质相差较大，熔炼过程中的成分烧蚀以及铸造时极易产生偏析、疏松、铸态组织粗大等问题。尽管通过热机械加工结合适当的热处理工艺能够优化铸锭的显微组织，有效改善组织缺陷所带来的力学性能下降等问题，但这无疑为ti2alnb合金的生产增加了大量工序，使其生产制造过程更加繁复且制造成本上升。

3、因此，如何提供一种近净成型方法，能够直接成型所需工件，使生产出来的ti2alnb合金工件经过简单的加工即可投入使用，免去复杂的机械加工过程，并使得到的ti2alnb合金工件具有组织致密、晶粒细小等优良特点，有效避免铸造时产生的各种组织缺陷使目前ti2alnb合金制造领域中亟待解决的技术问题之一。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种ti2alnb粉末冶金材料的制备方法，该方法以海绵钛为原料，将其进行氢化处理后，与细粒级al、nb、y和w元素粉末混合，再经高能球磨、热处理脱氢、热等静压成型(hip)、真空烧结、高温热变形等步骤，最终得到组织性能优异的ti2alnb合金。

2、本发明所述ti2alnb粉末冶金材料的制备方法具体包括以下步骤：

3、(1)将海绵钛放入氢气炉中进行氢化处理，得到氢化钛料；

4、(2)将氢化钛料、铝粉、铌粉、钇粉、钨粉混合，经高能球磨后制得粒径为1-10μm的超细氢化钛合金粉体；

5、(3)将超细氢化钛合金粉体放入真空烧结炉进行脱氢处理，得到平均粒度为10μm，氧含量为500ppm的超细氢化脱氢钛合金粉；

6、(4)将超细氢化脱氢钛合金粉进行热等静压成型，获得压坯试样；

7、(5)将压坯试样放入烧结炉中进行真空烧结，获得烧结钛坯；

8、(6)将烧结钛坯进行热加工变形后进行热处理，水冷，再在500℃-550℃下保温4-8h后空冷至室温，得到ti2alnb合金。

9、进一步地，所述步骤(1)中氢化处理温度为350℃-800℃，氢化处理时间为3-10h；

10、进一步地，所述步骤(2)中超细氢化钛合金粉体的原料配比如下：铝粉22wt％、铌粉25wt％、钇粉0.1wt％、钨粉3wt％，余量为氢化钛料。

11、进一步地，所述步骤(2)中铝粉、铌粉、钇粉、钨粉的粒径范围均为0-45μm。

12、进一步地，所述步骤(2)中球料比为4:1-10:1，球磨时间为6-24h。

13、进一步地，所述步骤(3)中真空烧结炉的真空度为1pa，脱氢温度为400℃-800℃，脱氢保温时间为2-5h。

14、进一步地，所述步骤(4)中的传压介质为纯度99.999％的高纯氩气，保压时间为30-300s，热等静压成型温度为700℃-900℃，热等静压成型压力为100-150mpa

15、进一步地，所述步骤(5)中真空烧结的真空度为10-3-10-2pa，烧结温度为1350-1550℃，烧结保温时间为2-5h。

16、进一步地，所述步骤(6)中热加工变形温度为1000℃-1300℃，变形量为30-80％，变形速率为10-3/s-10-1/s。

17、进一步地，所述步骤(6)中热处理在真空度为10-1-10-3pa或高纯氩气气氛下进行，热处理温度为930℃-950℃，热处理保温时间为1-5h。

18、本发明ti2alnb合金的生产过程均在真空或高纯氩气气氛下进行，能够防止因粉末增氧带来的ti2alnb合金性能变差等问题；本发明通过添加元素y有利于细化晶粒组织，改善ti2alnb塑性，加入w元素提高了ti2alnb合金的热强性、抗氧化性以及抗蠕变性能；本发明利用球磨后ti2alnb合金粉体的适当粒径行真空烧结，提高烧结驱动力，进而提高烧结锭的密度，减少热加工难度；本发明利用热处理工艺将粉末烧结坯致密化，同时利用较高的热处理温度减少变形抗力，防止热处理过程中粉末烧结坯产生开裂等问题；本发明烧结钛坯在制备过程中的能够产生适量孔隙，这些空隙在高温热加工过程中可起到阻碍晶粒长大的作用，对烧结钛坯的组织改善起到积极作用；本发明高温热加工后的合金均匀细小的组织结构中具有较多发细小晶界，可大幅度提高ti2alnb合金力学性能。

19、与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

20、本发明克服了现有铸造法和铸锭冶金法制备ti2alnb合金产生的各种组织缺陷问题，提供了一种ti2alnb合金近净成型方法，能够直接成型所需工件，使生产出来的ti2alnb合金工件经过简单的加工即可投入使用，免去复杂的机械加工过程，并使得到的ti2alnb合金工件具有组织致密、晶粒细小等优良特点，具有良好的应用前景。

技术特征：

1.一种ti2alnb粉末冶金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种ti2alnb粉末冶金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中氢化处理温度为350℃-800℃，氢化处理时间为3-10h。

3.根据权利要求1所述的一种ti2alnb粉末冶金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中超细氢化钛合金粉体的原料配比如下：铝粉22wt％、铌粉25wt％、钇粉0.1wt％、钨粉3wt％，余量为氢化钛料。

4.根据权利要求3所述的一种ti2alnb粉末冶金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中铝粉、铌粉、钇粉、钨粉的粒径范围均为0-45μm。

5.根据权利要求1所述的一种ti2alnb粉末冶金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中球料比为4:1～10:1，球磨时间为6-24h。

6.根据权利要求1所述的一种ti2alnb粉末冶金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中真空烧结炉的真空度为1pa，脱氢温度为400℃-800℃，脱氢保温时间为2-5h。

7.根据权利要求1所述的一种ti2alnb粉末冶金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中的传压介质为纯度99.999％的高纯氩气，保压时间为30-300s，热等静压成型温度为700℃-900℃，热等静压成型压力为100-150mpa。

8.根据权利要求1所述的一种ti2alnb粉末冶金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中真空烧结的真空度为10-3-10-2pa，烧结温度为1350-1550℃，烧结保温时间为2-5h。

9.根据权利要求1所述的一种ti2alnb粉末冶金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中热加工变形温度为1000℃-1300℃，变形量为30-80％，变形速率为10-3/s-10-1/s。

技术总结
本发明提供了一种Ti<subgt;2</subgt;AlNb粉末冶金材料的制备方法，涉及钛合金制备技术领域。本发明以海绵钛为原料，将其进行氢化处理后，与细粒级Al、Nb、Y和W元素粉末混合，再经高能球磨、热处理脱氢、热等静压成型(HIP)、真空烧结、高温热变形等步骤，最终得到组织性能优异的Ti<subgt;2</subgt;AlNb合金。本发明克服了现有铸造法和铸锭冶金法制备Ti<subgt;2</subgt;AlNb合金产生的各种组织缺陷问题，能够直接成型所需工件，生产出来的Ti<subgt;2</subgt;AlNb合金工件经过简单的加工即可投入使用，免去复杂的机械加工过程，并使得到的Ti<subgt;2</subgt;AlNb合金工件具有组织致密、晶粒细小等优良特点，具有良好的应用前景。

技术研发人员：李有余,闫柏军
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12