金属注射成形制备低成本Ti-6Al-4V及其热氢处理研究

论文摘要

钛及钛合金性能优异,但其制备、加工成本高。金属注射成形工艺（MIM）流程短,能够直接制取成品或接近成品尺寸的部件,可以大幅度降低钛合金部件的生产成本：氢处理技术能够改善钛合金组织结构,提高钛制件使用性能。本文探讨了如何以低成本的TiH2粉为原料通过金属注射成形方法制备Ti-6Al-4V合金,同时对注射成形制备的Ti-6Al-4V合金开展了氢处理技术的研究。研究了以TiH2粉为原料制备MIM Ti-6A1-4V合金工艺过程。实验表明,选用本实验室已研制出的TiH2粉注射成形用新型高效清洁粘接剂体系,装载量可达到66%,将原料混合粉末与粘结剂于160℃下在真空捏合机中混炼1小时,制粒后可得到适宜注射的喂料。在模温为常温的条件下,注射的最佳工艺参数为：注射温度为130℃,注射压力为75MPa。粘结剂的脱除采用两步脱脂法,先将成形坯在正庚烷中浸泡7小时,可脱除32%左右的粘结剂,再在高纯氩气氛（99.999%）中热脱脂,可将剩余的粘结剂脱除完全。热脱脂工艺由粘结剂的热解行为和TiH2粉末脱氢特性共同决定。理想热脱脂工艺路线为：系统的研究了在10-3Pa真空度条件下,烧结温度、烧结时间对钛合金制品致密度、显微组织和力学性能的影响。实验结果表明,使用TiH2粉为原料通过MIM工艺可获得全致密烧结钛合金制品；随着烧结温度的升高、烧结时间的延长,烧结制品孔隙度减少、密度及力学性能明显提高。采用TiH2粉注射成形制备Ti-6A1-4V合金最佳烧结工艺如下,烧结气氛为10-3Pa真空：最佳工艺条件下获得的烧结制品相对密度为99.1%、抗拉强度为587MPa、屈服强度为439MPa、延伸率为4.93%;H含量为0.0049wt%,C、O、N含量分别为0.12wt%、0.21wt%、0.0024wt%。氢处理工艺能够显著细化钛合金显微组织,提高钛合金力学性能。MIMTi-6A1-4V合金通过在650℃置氢处理2小时、850℃高温固溶处理1小时、620℃等温时效处理10小时,720℃真空除氢处理8小时后,合金试样原始的粗大片状组织被逐渐打碎,转变成细小的α+p针状组织,且置氢量越高细化效果越明显。置氢量为0.51wt%的合金试样氢处理后最终抗拉强度为661MPa,比未经氢处理的试样提高了11%,延伸率为6.11%,比未经氢处理的合金试样提高了19%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 低成本钛合金
• 1.1.1 钛合金的成本问题
• 1.1.2 低成本钛合金的研究进展
• 1.1.3 降低钛合金成本的主要技术
• 1.2 钛合金注射成形技术
• 1.2.1 MIM工艺过程及技术特点
• 1.2.2 注射成形钛合金发展现状
• 1.2.3 钛合金注射成形的关键问题
• 1.3 钛合金氢处理技术
• 1.3.1 氢处理技术的研究和发展
• 1.3.2 氢处理技术的基本原理
• 1.3.3 氢处理技术的应用
• 1.4 本论文的研究目的和研究内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 实验及分析方法
• 2.1 实验内容
• 2.2 实验工艺过程
• 2.2.1 MIM Ti-6Al-4V合金制备工艺过程
• 2.2.2 MIM Ti-6Al-4V合金氢处理工艺过程
• 2.3 分析方法
• 2.4 实验设备
• 第3章 TiH2注射成形制备Ti-6Al-4V合金
• 3.1 粉末的选择
• 3.2 粘结剂的选择
• 3.3 喂料的制备
• 3.3.1 粉末装载量
• 3.3.2 粉末的混炼
• 3.4 注射成形工艺参数的确定
• 3.4.1 注射温度的选择
• 3.4.2 注射压力的选择
• 3.5 脱脂工艺
• 3.5.1 溶剂脱脂
• 3.5.2 热脱脂工艺过程
• 3.6 烧结过程
• 3.6.1 烧结动力学
• 3.6.2 烧结工艺对密度、孔隙和显微组织的影响
• 3.7 分析与讨论
• 3.7.1 烧结制品微观组织特征与元素分布
• 3.7.2 烧结制品碳、氧含量及物相分析
• 3.8 本章小结
• 第4章 氢处理对MIM Ti-6Al-4V合金组织及性能的影响
• 4.1 渗氢后MIM Ti-6Al-4V合金显微组织
• 4.2 含氢MIM Ti-6Al-4V合金固溶时效后显微组织
• 4.3 真空除氢后的显微组织分析
• 4.4 讨论
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录