專利名稱：注射成形制備高鈮鈦鋁合金零部件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高鈮鈦鋁金屬間化合物材料成形技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種利用粉末注 射成形技術(shù)制備復(fù)雜形狀和高尺寸精度高鈮鈦鋁合金零部件的方法。
技術(shù)背景高Nb-TiAl金屬間化合物材料由于其優(yōu)異的高溫性能、抗氧化性和抗蠕變性而受到廣 泛關(guān)注。經(jīng)過近十幾年來的研究，在相圖、合金化、抗氧化性和顯微組織與力學(xué)性能等方 面取得了一系列重要的進(jìn)展。高含量難熔金屬Nb元素的加入提高了合金的熔點和有序化 溫度，Nb元素的固溶強(qiáng)化，使其90(TC的屈服強(qiáng)度較普通鈦鋁合金提高約300 500MPa， 高熔點Nb元素加入的同時降低了擴(kuò)散系數(shù)，改善了抗氧化性，并且兼顧了TiAl基合金的 密度小、晶體結(jié)構(gòu)簡單和易于通過組織控制改善性能的優(yōu)點，因而有可能取代現(xiàn)役的Ni 基高溫合金而成為未來航空、航天領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力的新一代高溫結(jié)構(gòu)材料。但是，高 Nb合金化在提高其高溫強(qiáng)度的同時，導(dǎo)致了合金的熔煉溫度和熱加工溫度提高，也進(jìn)一 步降低了其室溫和高溫塑性，尤其是室溫塑性比普通TiAl更低，從而增加了合金成形制 備的難度。目前，都是釆用熔煉方法制備高Nb-TiAl合金，然后進(jìn)行多次熱加工。合金的制備過 程較為復(fù)雜，容易出現(xiàn)鑄造缺陷、成分偏析和組織不均勻現(xiàn)象，雖然經(jīng)多次等溫鍛造的高 Nb-TiAl合金獲得均勻細(xì)小的雙態(tài)組織，室溫塑性有所提高，但仍難以后續(xù)的切削加工成 形，實現(xiàn)復(fù)雜形狀和高尺寸精度零部件的制備。也有學(xué)者利用放電等離子燒結(jié)的方法制備 高Nb-TiAl合金，但也只能制備出塊體形狀的合金，同樣難以實現(xiàn)復(fù)雜形狀和高尺寸精度 零部件的制備。粉末注射成形是將合金粉末與大量的有機(jī)粘結(jié)劑經(jīng)混煉、注射成形和去掉粘結(jié)劑的脫 脂等步驟，最終燒結(jié)成致密的產(chǎn)品的過程。該技術(shù)繼承了陶瓷粉末注射成形的方法，是傳 統(tǒng)冶金法和塑料注射成形相結(jié)合的產(chǎn)物。其最大特點是實現(xiàn)了近凈成形，避免了后序的切 削加工，在制備幾何形狀復(fù)雜產(chǎn)品方面，具有明顯的優(yōu)勢，而制備成本只有傳統(tǒng)成形工藝 20 60%。到目前為止，國內(nèi)外只有少數(shù)幾個學(xué)者開展了粉末注射成形技術(shù)制備普通TiAl 基合金材料的研究(R. Gerling， F. P. Schimansky. Prospects for metal injectionmoulding using a gamma titanium aluminide based alloy powder. Materials Science and Engineering, 2002, A329-331:45-49; R. Gerling， E. Aust, W. Limberg, M. Pfuff' F. P. Schimansky. Metal injection moulding of gamma titanium aluminide alloy powder-Materials Science and Engineering, 2006， A423, 1-2:262-268)，但對于利用粉末注射 成形制備高Nb-TiAl基合金材料的研究，還沒有相關(guān)報道。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種利用粉末注射技術(shù)制備高鈮鈦鋁合金材料零部件的方法， 避免后續(xù)切削加工成形，實現(xiàn)近凈成形，實現(xiàn)制備復(fù)雜形狀和高尺寸精度的高鈮鈦鋁合金 零部件以及較低成本的批量生產(chǎn)。本發(fā)明采用注射成形的方法制備成形坯，然后通過脫脂和燒結(jié)制備高鈮鈦鋁合金零部件。具體工藝為1、 粘接劑的配制本發(fā)明所配制的粘接劑為多聚合物組元石蠟(PW)基粘接劑，以低密度聚乙烯(LDPE)、聚丙烯(PP)作為增塑劑，以硬脂酸(SA)為表面活性劑，各組 元重量百分比為PW: LDPE: PP: SA= (63 68): (18 22): (10 15): (2 5)。將四禾中 組元加入轉(zhuǎn)矩流變儀或雙螺桿擠出機(jī)中進(jìn)行共混，并達(dá)到成分均勻；2、 混煉將所選用的高Nb-TiAl預(yù)合金粉末與所配制的粘接劑在開放式煉膠機(jī)上混 煉1 1.5小時，混煉溫度為140 150°C,再在雙螺桿混煉擠出機(jī)上制粒，使喂料進(jìn)一步 均勻，粉末裝載量為63 69% (體積百分含量)；3、 注射成形將制粒后所得喂料在注射溫度140 150°C，注射壓力90 100Mpa的 條件下注射，得到復(fù)雜形狀的高Nb-TiAl合金預(yù)成形坯；4、 脫脂采用溶劑脫脂+后續(xù)熱脫脂的兩步脫脂法，首先將預(yù)成形坯浸于三氯乙烯中 進(jìn)行溶劑脫脂10 20小時，脫脂溫度為30 4(TC，脫脂完成后取出坯體在恒溫干燥箱內(nèi) 烘干，再在管式真空爐中進(jìn)行熱脫脂，脫脂溫度在30 60(TC之間，時間為6 12小時， 并進(jìn)一步將脫脂坯加熱至600 100(TC之間進(jìn)行預(yù)燒結(jié)1 1. 5小時；5、 燒結(jié)將預(yù)燒結(jié)坯置于真空燒結(jié)爐中于1460 1480'C燒結(jié)，保溫1 2小時，升 溫速率為6 8°C/min，燒結(jié)體經(jīng)后續(xù)精整處理，得到高Nb-TiAl合金零部件。本發(fā)明采用的合金粉末成分為Ti-45A1-8.5Nb-0.2W-0.2B-0.02Y (原子百分含量)的 氬氣霧化預(yù)合金粉末，粒度為20 60ixm。本發(fā)明的優(yōu)點在于可直接制備出具有復(fù)雜形狀和高尺寸精度的高Nb-TiAl合金零部 件，同時，材料組織均勻、致密度高，綜合力學(xué)性能較好，可實現(xiàn)批量生產(chǎn)高Nb-TiAl合金零部件，材料利用率高，生產(chǎn)成本低。
具體實施方式
實施例1:原料成分為Ti-45A1-8. 5Nb-0. 2W-0. 2B-0. 02Y(原子百分含量)的氬氣霧化預(yù)合金粉， 粒度為20 60um;粘接劑采用為多聚合物組元石蠟基(PW)粘接劑，其各組元重量百分比為PW: LDPE: PP: SA=63: 20: 12: 5，粉末裝載量為65°/o。將粉末與配制好的粘接劑在SK-160型開放式煉膠機(jī)上混煉1小時，混煉溫度為145 °C，再在PSJ32型雙螺桿混煉擠出機(jī)上制粒，使喂料進(jìn)一步均勻，制粒后的喂料在注射溫 度150°C，注射壓力lOOMpa的條件下注射，得到復(fù)雜形狀的高Nb-TiAl合金預(yù)成形坯， 然后將預(yù)成形坯浸于三氯乙烯中進(jìn)行溶劑脫脂10小時，脫脂溫度為35'C，脫脂完成后取 出坯體在恒溫干燥箱內(nèi)烘干，熱脫脂在管式真空爐中進(jìn)行，脫脂溫度在30 60(TC之間， 共脫脂12小時，并將脫脂坯加熱至80(TC進(jìn)行預(yù)燒結(jié)1小時，最后將預(yù)燒結(jié)坯置于ZGS150 型真空燒結(jié)爐中于148(TC燒結(jié)，保溫1小時，升溫速率為6'C/rain，燒結(jié)體經(jīng)后續(xù)處理， 即得到相對密度達(dá)96%，尺寸精度高達(dá)±0.2%和綜合力學(xué)性能較好(抗壓強(qiáng)度2560MPa， 壓縮率34%，抗拉強(qiáng)度319MPa，延伸率0.63%)的復(fù)雜形狀高Nb-TiAl合金零部件。實施例2:原料成分為Ti-45A1-8. 5Nb-0. 2W-0. 2B-0. 02Y(原子百分含量)的氬氣霧化預(yù)合金粉， 粒度為20 60ym;粘接劑采用為多聚合物組元石蠟基(PW)粘接劑，其各組元重量百分比為PW: LDPE: PP: SA=67: 20: 14: 2，粉末裝載量為67%。將粉末與配制好的粘接劑在SK-160型開放式煉膠機(jī)上混煉1. 5小時，混煉溫度為140 °C，再在PSJ32型雙螺桿混煉擠出機(jī)上制粒，使喂料進(jìn)一步均勻，制粒后的喂料在注射溫 度140。C，注射壓力90Mpa的條件下注射，得到復(fù)雜形狀的高Nb-TiAl合金預(yù)成形坯，然 后將預(yù)成形坯浸于三氯乙烯中進(jìn)行溶劑脫脂12小時，脫脂溫度為40'C，脫脂完成后取出 坯體在恒溫干燥箱內(nèi)烘干，熱脫脂在管式真空爐中進(jìn)行，脫脂溫度在30 60(TC之間，共 脫脂8小時，并將脫脂坯加熱至IOO(TC進(jìn)行預(yù)燒結(jié)1. 5小時，最后將預(yù)燒結(jié)坯置于ZGS150 型真空燒結(jié)爐中于146(TC燒結(jié)，保溫1. 5小時，升溫速率為7'C/min，燒結(jié)體經(jīng)后續(xù)處理， 即得到相對密度達(dá)96%，尺寸精度高達(dá)±0.2%和綜合力學(xué)性能較好(抗壓強(qiáng)度2210MPa， 壓縮率31%，抗拉強(qiáng)度287MPa，延伸率0.54%)的復(fù)雜形狀高Nb-TiAl合金零部件。實施例3:原料:成分為Ti-45A1-8. 5Nb-0. 2W-0. 2B-0. 02Y(原子百分含量)的氬氣霧化預(yù)合金粉，粒度為20 60pm;粘接劑采用為多聚合物組元石蠟基(PW)粘接劑，其各組元重量百分 比為PW: LDPE: PP: SA=65: 18: 13: 4，粉末裝載量為66%。將粉末與配制好的粘接劑在SK-160型開放式煉膠機(jī)上混煉1小時，混煉溫度為150 'C，再在PSJ32型雙螺桿混煉擠出機(jī)上制粒，使喂料進(jìn)一步均勻，制粒后的喂料在注射溫 度145'C，注射壓力90Mpa的條件下注射，得到復(fù)雜形狀的高Nb-TiAl合金預(yù)成形坯，然 后將預(yù)成形坯浸于三氯乙烯中進(jìn)行溶劑脫脂14小時，脫脂溫度為35'C,脫脂完成后取出 坯體在恒溫干燥箱內(nèi)烘干，熱脫脂在管式真空爐中進(jìn)行，脫脂溫度在30 600。C之間，共 脫脂10小時，并將脫脂坯加熱至60(TC進(jìn)行預(yù)燒結(jié)1小時，最后將預(yù)燒結(jié)坯置于ZGS150 型真空燒結(jié)爐中于1470。C燒結(jié)，保溫1小時，升溫速率為6'C/min，燒結(jié)體經(jīng)后續(xù)處理， 即得到相對密度達(dá)96%，尺寸精度高達(dá)±0.2%和綜合力學(xué)性能較好(抗壓強(qiáng)度2330MPa， 壓縮率32%，抗拉強(qiáng)度294MPa，延伸率0. 56%)的復(fù)雜形狀高Nb-TiAl合金零部件。實施例4:原料:成分為Ti-45Al-8. 5Nb-0. 2W-0. 2B_0. 02Y(原子百分含量)的氬氣霧化預(yù)合金粉， 粒度為20 60um;粘接劑采用為多聚合物組元石蠟基(PW)粘接劑，其各組元重量百分比為PW: LDPE: PP: SA=66: 17: 15: 3，粉末裝載量為68%。將粉末與配制好的粘接劑在SK-160型開放式煉膠機(jī)上混煉1小時，混煉溫度為145 °C，再在PSJ32型雙螺桿混煉擠出機(jī)上制粒，使喂料進(jìn)一步均勻，制粒后的喂料在注射溫 度150°C，注射壓力lOOMpa的條件下注射，得到復(fù)雜形狀的高Nb-TiAl合金預(yù)成形坯， 然后將預(yù)成形坯浸于三氯乙烯中進(jìn)行溶劑脫脂16小時，脫脂溫度為35。C，脫脂完成后取 出坯體在恒溫干燥箱內(nèi)烘干，熱脫脂在管式真空爐中進(jìn)行，脫脂溫度在30 600'C之間， 共脫脂14小時，并將脫脂坯加熱至80(TC進(jìn)行預(yù)燒結(jié)1.5小時，最后將預(yù)燒結(jié)坯置于 ZGS150型真空燒結(jié)爐中于1480。C燒結(jié)，保溫2小時，升溫速率為8'C/min，燒結(jié)體經(jīng)后 續(xù)處理，即得到相對密度達(dá)97%，尺寸精度高達(dá)±0.2%和綜合力學(xué)性能較好(抗壓強(qiáng)度 2350MPa，壓縮率36%，抗拉強(qiáng)度288MPa，延伸率0. 67%)的復(fù)雜形狀高Nb-TiAl合金零 部件。
權(quán)利要求
1. 一種制備復(fù)雜形狀和高尺寸精度高鈮鈦鋁合金零部件的方法，其特征在于，制備工藝為a、粘接劑的配制所配制的粘接劑為多聚合物組元石蠟PW基粘接劑，以低密度聚乙烯LDPE、聚丙烯PP作為增塑劑，以硬脂酸SA為表面活性劑，各組元重量百分比為PW∶LDPE∶PP∶SA＝(63～68)∶(18～22)∶(10～15)∶(2～5)，將四種組元加入轉(zhuǎn)矩流變儀或雙螺桿擠出機(jī)中進(jìn)行共混，并達(dá)到成分均勻；b、混煉將所選用的高Nb-TiAl預(yù)合金粉末與所配制的粘接劑按比例在開放式煉膠機(jī)上混煉1～1.5小時，混煉溫度為140～150℃，再在雙螺桿混煉擠出機(jī)上制粒，使喂料進(jìn)一步均勻，粉末裝載量按體積百分含量計為63～69％；c、注射成形將制粒后所得喂料在注射溫度140～150℃，注射壓力90～100Mpa的條件下注射，得到復(fù)雜形狀的高Nb-TiAl合金預(yù)成形坯；d、脫脂采用溶劑脫脂+后續(xù)熱脫脂的兩步脫脂法，首先將預(yù)成形坯浸于三氯乙烯中進(jìn)行溶劑脫脂10～20小時，脫脂溫度為30～40℃，脫脂完成后取出坯體在恒溫干燥箱內(nèi)烘干，再在管式真空爐中進(jìn)行熱脫脂，脫脂溫度在30～600℃之間，時間為6～12小時，并進(jìn)一步將脫脂坯加熱至600～1000℃之間進(jìn)行預(yù)燒結(jié)1～1.5小時；e、燒結(jié)將預(yù)燒結(jié)坯置于真空燒結(jié)爐中于1460～1480℃燒結(jié)，保溫1～2小時，升溫速率為6～8℃/min，燒結(jié)體經(jīng)后續(xù)精整處理，得到高Nb-TiAl合金零部件。
2、 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所選用的高Nb-TiAl預(yù)合金粉末成分 以原子百分含量計為Ti-45A1-8. 5Nb-0. 2W-0. 2B_0. 02Y的氬氣霧化預(yù)合金粉末，粒度為 20 60um。
全文摘要
一種制備復(fù)雜形狀和高尺寸精度高鈮鈦鋁合金零部件的方法，屬于高鈮鈦鋁金屬間化合物材料成形技術(shù)領(lǐng)域。工藝是將氬氣霧化高鈮鈦鋁粉末與不同質(zhì)量配比的石蠟PW，低密度聚乙烯LDPE，聚丙烯PP，硬脂酸SA組成的聚合物粘接劑以63～69％的裝載量混煉、制粒，注射成形，隨后采用溶劑脫脂和真空氣氛中熱脫脂脫除粘接劑，并在600～1000℃進(jìn)行預(yù)燒結(jié)，最后在真空氣氛中1460～1480℃進(jìn)行燒結(jié)制得高Nb-TiAl合金零部件。優(yōu)點在于可直接制備出具有復(fù)雜形狀、高尺寸精度和性能優(yōu)良的高Nb-TiAl合金零部件，實現(xiàn)較低成本高Nb-TiAl合金零部件的批量生產(chǎn)。
文檔編號B22F3/12GK101279367SQ20081011314
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月28日
發(fā)明者何新波, 張昊明, 曲選輝, 趙麗明 申請人:北京科技大學(xué)