一种固相除氧制备高性能粉末冶金钛及钛合金制品的方法

摘要

一种固相除氧制备高性能粉末冶金钛及钛合金的方法，属于粉末冶金钛领域。本发明提出将TiCl2作为钛粉末除氧剂，将TiCl2与钛粉末混合均匀，经成形—烧结，获得高性能钛制品。在烧结过程中，TiCl2与钛粉末及表面的氧化膜发生氧化还原反应，生成TiClxOy以气态的形式脱除钛基体，不会产生固相杂质颗粒，避免引入第二相阻碍烧结，且TiClxOy有利于破除粉末表面氧化膜，从而提高钛粉末的烧结活性，促进致密化烧结，从而获得低氧高致密度的钛制品，且兼具优异的综合力学性能。本发明为粉末冶金钛及钛合金除氧提供新的思路，有利于推动低成本粉末冶金钛及钛合金产业化发展。

权利要求

1.一种固相除氧制备高性能粉末冶金钛及钛合金制品的方法，其特征在于：钛制品部件由如下成分配比而成：1‑10wt.%TiCl2，余量为钛或钛合金粉末；具体制备步骤如下：(1) 将符合配方要求的TiCl2和钛或钛合金粉末在氩气保护的手套箱中装入混料罐中，随后在混料机上混合1‑24h，获得均匀的混合粉末；

(2) 将混合粉末在氩气保护的手套箱中装入冷等静压包套中振实，抽真空密封后进行冷等静压压制，压制压力为100‑600MPa，保压时间为1‑4min，获得压坯试样；

(3) 将压坯试样放入烧结炉中进行氩气或真空烧结，先在500‑850℃下保温60‑

120min，再在1150 ‑1350℃下保温1‑4h，最终获得高性能钛制品部件；

步骤（2）中所述的冷等静压包套为聚氨酯、橡胶、硅胶弹性包套；

‑3 ‑2

步骤（3）中所述的真空烧结，真空度为10 ‑10 Pa。

说明书

一种固相除氧制备高性能粉末冶金钛及钛合金制品的方法

技术领域

[0001] 本发明属于粉末冶金钛领域，提供了一种固相除氧制备高性能粉末冶金钛及钛合金的方法。

背景技术

[0002] 由于钛及钛合金加工性能差、材料利用率低导致加工成本高，近净成形技术引起了广泛的研究兴趣和应用重点。粉末冶金技术可直接制备最终形状的钛合金产品，避免了
钛的热加工和深加工等环节，最大幅度地降低钛合金产品的制备加工成本。但是，高的氧含
量是粉末冶金钛制品目前面临的挑战之一，氧在钛制品中的最大临界含量为3200ppm。钛制
品中的氧主要来源于粉末表面的氧化膜及成形烧结过程中的氧增量。目前市售氢化脱氢钛
粉末的氧含量在2500‑5000ppm左右，价格在70‑200元/kg，但是氧含量在1000‑2000ppm内的
高纯钛粉价格均在300元/Kg以上。因此，如何实现钛粉末的除氧是粉末冶金钛及钛合金的
重点研究方向之一。

[0003] 目前，普遍以稀土元素为除氧剂来改善过高氧含量对材料力学性能的影响，一般与氧杂质原子形成第二相颗粒，净化颗粒表面。但由于稀土元素在钛合金的固溶度较低，一
般不存在金属间化合物，所以当稀土元素含量过高后会大幅度降低烧结致密度、强度及延
伸率，所以添加的稀土量一般小于1wt.％，导致除氧效果也有限，并且稀土元素价格也较昂
贵，净化剂成本高。

[0004] 为了实现钛粉末的表面净化及除氧，本发明提出了一种固相除氧制备高性能粉末冶金钛及钛合金的方法。采用TiCl2作为除氧剂，将TiCl2和钛粉末混合均匀，在烧结过程中
TiCl2与钛粉末及粉末表面的氧化膜发生氧化还原反应，生成气态TiClxOy化合物，TiClxOy以
气态的形式脱除基体，达到降低氧含量的目的，并且烧结钛基体中无杂质生成，不会引入第
二相阻碍烧结。因此，TiCl2含量可以适当增多以最大限度去除钛粉末表面氧化膜及吸附的
氧原子，起到净化粉末颗粒表面并促进烧结致密化的作用。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种固相除氧制备高性能粉末冶金钛及钛合金的方法，该方法采用TiCl2作为除氧剂，将TiCl2与钛粉末混合均匀，经成形—烧结获得高性能的钛制
品。烧结过程中TiCl2与钛粉末及表面氧化膜反应，生成气态TiCl4和TiClxOy。一方面，有利
于破除钛粉末表面氧化膜，提高粉末烧结活性，从而利于烧结致密化；另一方面，生成物以
气态形式脱除，以此降低烧结钛及钛合金中的氧含量，且无杂质生成，最终保证钛制品的力
学性能。

[0006] 为了获得上述的一种固相除氧制备高性能粉末冶金钛及钛合金制品的方法，其特征在于：TiCl2和钛或钛合金制品成分配比为：1‑10wt.％TiCl2，余量为钛或钛合金粉末，具
体制备步骤如下：

[0007] (1)将符合配方要求的TiCl2和钛粉末在氩气保护的手套箱中装入混料罐中，随后在混料机上混合1‑24h，获得均匀的混合粉末；

[0008] (2)将混合粉末在氩气保护的手套箱中装入冷等静压包套中振实，抽真空密封后进行冷等静压压制，压制压力为100‑600MPa，保压时间为1‑4min，获得压坯试样；

[0009] (3)将压坯试样放入烧结炉中进行氩气或真空烧结，先在500‑850℃下保温60‑120min，再在1150‑1350℃下保温1‑4h，最终获得高性能钛制品部件。

[0010] 进一步地，步骤(1)中所述的钛粉末为各种市售的纯钛粉或钛合金粉末。

[0011] 进一步地，步骤(2)中所述的冷等静压包套为聚氨酯、橡胶、硅胶等弹性包套。

[0012] 进一步地，步骤(3)中所述的真空烧结，真空度为10‑3‑10‑2Pa。

[0013] 本发明的优点：

[0014] 1、以TiCl2为固相除氧剂，不仅可以破除钛粉末表面氧化膜，降低烧结钛制品中的氧含量，而且有利于增加钛粉末表面烧结驱动力，提高烧结活性，易于获得低氧高致密度的
钛制品，且兼具优异的综合力学性能。

[0015] 2、TiCl2与钛粉末产生的反应产物以气体形式脱除，无杂质生成，不会引入第二相阻碍烧结，减少对烧结性能的不利影响。

[0016] 3、通过TiCl2净化钛粉末表面，因反应产物无负面影响，可以提高TiCl2除氧剂的含量，最大限度发挥除氧剂的净化效果。

[0017] 4、TiCl2除氧剂价格低廉，制备工艺简单，有利于扩大高氧含量低成本的钛粉末应用范围，进一步减少钛合金制备成本。

[0018] 5、为粉末冶金钛及钛合金除氧提供新的思路，有利于推动低成本粉末冶金钛及钛合金产业化发展。

具体实施方式

[0019] 实施例1：

[0020] 按照质量百分比由如下成分配比而成：4wt.％TiCl2，余量为氢化脱氢纯钛粉(HDH‑Ti)，其中HDH‑Ti的粒径D50＝15μm，氧含量为3500ppm。具体制备步骤如下：

[0021] (1)将符合配方要求的TiCl2和HDH‑Ti在手套箱氩气气氛保护下混合，在混料机上混合15h，获得均匀的混合粉末；

[0022] (2)将混合粉末在氩气保护的手套箱中装入冷等静压硅胶包套中振实，抽真空密封后进行冷等静压压制，压制压力为300MPa，保压2min，获得压坯试样；

[0023] (3)将压坯试样放入烧结炉中进行真空烧结，真空度为10‑3Pa，先在600℃下保温60min，再在1170℃下保温1h，最终获得高性能的纯钛部件。

[0024] 实施例2：

[0025] 按照质量百分比由如下成分配比而成：3wt.％TiCl2，余量为HDH‑TC4钛合金粉，其中HDH‑TC4的粒径D50＝30μm，氧含量为2500ppm。具体制备步骤如下：

[0026] (1)将符合配方要求的TiCl2和HDH‑TC4在手套箱氩气气氛保护下混合，在混料机上混合10h，获得均匀的混合粉末；

[0027] (2)将混合粉末在氩气保护的手套箱中装入冷等静压橡胶包套中振实，抽真空密封后进行冷等静压压制，压制压力为400MPa，保压1min，获得压坯试样；

[0028] (3)将压坯试样放入烧结炉中进行氩气烧结，先在750℃下保温90min，再在1250℃下保温1.5h，最终获得高性能的TC4钛合金部件。