一种高硬耐磨损钛合金及其精密铸造方法与流程

1.本发明属于钛合金材料制造领域，特别提供一种高硬耐磨损钛合金及其精密铸造方法。


背景技术：

2.钛合金因为其轻质，比强度高、热稳定性好，较优异的高温性能，具有良好的抗腐蚀性和生物相容性的特点，受到航空航天、航海、生物医疗等领域越来越多的关注，但钛合金的硬度低、耐磨性差及高温蠕变性低的问题限制其广泛应用。零部件在复杂条件下重载荷和高速度条件下的使用，对其摩擦磨损性能提出了更高的要求。现有的钛合金材料无法完全满足其耐磨损性能的要求。
3.钛合金材料通过复合化的方式，将金属基体与陶瓷增强体结合，将显著提高钛合金的比强度、硬度、弹性模量和耐磨性，受到国内学者广泛研究并得到应用。一般通过机械合金化法、热压烧结法、高温自蔓延合成法、铸造法将增强体和基体结合。这些传统的反应过程中增强相在基体中分布的均匀性较差，导致增强体的团聚和粗化从而降低力学性能。


技术实现要素：

4.针对耐磨损高硬度钛合金材料铸件制备难度高，高体积分数的tib、tic增强相在基体内分布不均匀等问题，本发明提供了一种高硬耐磨损钛合金及其精密铸造方法，采用该方法生产的铸件具有内部质量高、尺寸精度高，综合性能优异的特点。同时缩短了生产周期，提高了生产效率。
5.本发明技术方案如下：
6.一种高硬耐磨损钛合金，其特征在于，按照质量百分比计，所述钛合金的组成为：al 5～12％、mo 3～6％、v 1～5％、zr 1～5％、nb 0.5～2％、y 0.1～0.8％，c 1～3％，b 1.5～3％，ti余量。进一步优选为：al 5～7％、mo 3～6％、v 1～4％、zr 1～2％、nb 0.5～2％、y 0.1～0.8％，c 1～3％，b 1.5～3％，ti余量。
7.本发明所述高硬耐磨损钛合金的精密铸造方法，其特征在于，具体步骤如下：
8.(1)对原材料粉末进行预处理；
9.(2)采用热等静压粉末冶金工艺制备高硬耐磨损钛合金材料一次锭；
10.(3)制备陶瓷型壳铸型；
11.(4)陶瓷型壳加热保温；
12.(5)真空悬浮熔炼炉内进行熔炼并浇注。
13.作为优选的技术方案：
14.步骤(1)中，所述预处理为将纯钛粉、硼粉末、氧化石墨烯粉末进行球磨处理得到外部包裹石墨烯和硼粉、内部为钛的核壳结构粉末，再将该粉末与其它合金原料混合。
15.具体预处理的工艺过程如下：
16.(a)球磨处理：清洗球磨罐后，将200～300μm的纯钛粉与100μm硼粉末、5～50μm氧
化石墨烯粉末按体积比5～8:1～2:1～2的比例放入球磨罐中，按球料比6～8:1加入氧化锆球；封闭球磨罐后抽真空至1
×
10-3
mpa以下，并通入氩气后将球磨罐放入行星式球磨机中，设定球磨机转数为200～250rad/min，设定球磨时间为6～9h；球磨得到大小为20～80μm的外部包裹石墨烯和硼粉、内部为钛的核壳结构粉末；
17.(b)真空混料：将球磨处理的粉末和其它原材料进行真空混料，抽真空至5
×
10-1
mpa以下，将混料罐放置到混料机中，设置混料时间为3～5h。
18.步骤(2)中，热等静压粉末冶金工艺过程如下：
19.(a)灌料：在真空手套箱中通过导管将粉末材料灌入包套，并使用振动台震实后密封；
20.(b)包套焊封：将包套内真空度控制在5
×
10-2
mpa以下，导管焊接密封；
21.(c)热等静压粉末冶金：将密封完成的包套放入热等静压设备中，在940
±
10℃、130～140mpa的氩气氛围中保温4～6h，随炉冷却至280℃；
22.(d)包套去除：去除包套，铸锭表面经过酒精清洗处理得到一次锭。
23.步骤(3)中，陶瓷型壳的制备方法为：
24.(a)蜡模的制备：根据模具的内部结构选择注蜡机的型号及具体工艺参数后进行注蜡，取出蜡模后进行修整、组装和清洗，工作环境控制在21
±
10℃，相对湿度控制在65
±
15％；
25.(b)面层型壳的涂挂：涂挂工作环境温度控制在15～25℃，空气相对湿度在30％-52％；面层涂料为硅溶胶(固含量20％～30％)和50～60目的氧化钇粉末，两者按质量比3～4：1组成浆料；蜡模在清洗剂清洗后，全部浸入面层涂料中，待涂料自然流下后，选取40～60目的耐火氧化钇砂均匀的撒在型壳上，并放入干燥间中烘干8h～10h；以上过程反复涂挂3～4层；
26.(c)背层型壳的涂挂：涂挂工作环境温度控制在18～27℃，空气相对湿度在30％～42％；背层粘结剂选用硅溶胶(固含量30％～40％)，背层耐火材料是将铝矾土和刚玉粉按照质量比1～1.5:1通过搅拌机混合后，通过电弧熔炼的方式将其熔融，采用破碎机破碎成100～150目的耐火砂，将型壳浸入涂料中，待涂料自然流下后，均匀撒一层耐火砂，重复以上过程涂挂8～10层；
27.(d)型壳脱蜡：采用红外脱蜡技术，红外脱蜡炉加热至300
±
20℃，同时开排风，保温1～3h，将型壳内部的蜡料去除后，温度降至100
±
20℃出炉；
28.(e)型壳焙烧：采用阶梯升温方式，以10℃/min的速度升温至600
±
15℃，保温3～5h后，升温至1000～1200℃，保温4h，冷却到200℃出炉。
29.步骤(4)中，陶瓷型壳在500～550℃下保温1～2h后，转移并固定在真空悬浮炉内的离心盘上，采用石棉覆盖在型壳表面用于保温。
30.步骤(5)中，真空熔炼悬浮炉内进行熔炼并浇注具体步骤如下：
31.将一次铸锭放置于水冷铜坩埚中心处，通入氩气洗炉，重复2～3次，真空度控制在5
×
10-2
pa以下，充入保护气体，开始熔炼；熔炼时间控制在15～25min，浇注温度在1500～1600℃，控制电压380～420v，功率在320～360kw，冷却水温度在38℃以下；
32.使用离心浇注工艺，离心盘的转速150～200r/min，启动液压装置翻转坩埚，完成浇注。
33.本发明的优点为：
34.1.通过行星式球磨机，使纯ti粉、石墨烯、b粉通过磨球的冲击产生机械结合，形成以纯钛粉为内核，石墨烯和b粉为外层的核壳结构。球磨后的粉末细小、比表面积大，生成的tib、tic增强相在最终制备的钛合金材料中分布均匀。
35.2.高硬耐磨钛合金铸件的制备，采用氧化物陶瓷型壳工艺制作并结合热壳离心铸造方法，型壳高温稳定性好，高温强度高，尺寸精度高。由于氧化物陶瓷型壳热传导性差，金属液冷却速度慢，提高了钛合金的充型能力，特别适合于复杂结构薄壁钛合金铸件的制备。
36.3.制备所得钛合金铸件的维氏硬度达到400～590hv，在200n的载荷，转数为120r/min下摩擦系数为0.32～0.46，平均的磨损量为78.9～120mg。
37.4.化工用耐磨叶轮，单个质量20kg，在3mpa压力和ph4～5酸性环境中工作，叶轮需要具有良好的耐磨性和抗腐蚀性能，传统的钛合金叶轮使用时间14个月，采用本发明所述方法生产的叶轮在实际生产中的使用寿命达到21个月，服役时间提升50％。
附图说明
38.图1实施例3所述钛合金扫描电镜图片。
39.图2实施例3所述钛合金室温拉伸断口。
具体实施方式
40.实施例1
41.一、对原材料粉末进行预处理；
42.(a)球磨处理：清洗球磨罐后，使用200～300μm的纯钛粉与100μm硼粉末、5～50μm氧化石墨烯粉末按体积比5:1:1的比例放入球磨罐中，按球料比8:1加入氧化锆球。封闭球磨罐后通过机械泵抽真空至1
×
10-3
mpa以下，通入氩气后将球磨罐放入行星式球磨机中，设定球磨机转数为200rad/min，设定球磨时间为6h。最终得到大小为20～45μm的外部包裹石墨烯和硼粉，内部为钛颗粒的核壳结构粉末。
43.(b)真空混料：将球磨处理的粉末和其它原材料置于混料罐中，配比原材料质量分数见表1，使用机械泵抽真空至5
×
10-1
mpa以下，将混料罐放置到混料机中，设置混料时间为3h。
44.二、热等静压粉末冶金工艺制备高硬耐磨损钛基复合材料一次锭。
45.将混料罐中的粉末通过真空手套箱灌入到包套内，通过机械泵和分子泵将包套内抽真空至1
×
10-2
pa，使用氩弧焊机进行焊封处理。将包套放入热等静压机中，在940℃，135mpa的氩气氛围中保温4h，随炉冷却至280℃。制备完成的包套利用机械加工的方法去除，铸锭表面经过酒精清洗后，制备出高硬耐磨钛基复合材料一次锭。
46.三、制备陶瓷型壳铸型；
47.(1)蜡模的制备：根据模具的内部结构选择注蜡机的型号及具体工艺参数，进行注蜡，取出蜡模后进行修整、组装和清洗，工作环境控制在21
±
10℃，相对湿度控制在65
±
55％。
48.(2)面层型壳的涂挂：涂挂工作环境温度控制在15～25℃，空气相对湿度在30％～52％，面层涂料为硅溶胶(固含量20％)和50目氧化钇粉末，按3：1的质量比组成的浆料。蜡
模用清洗剂清洗后，全部浸入面层涂料中，待涂料自然流下后，选取40目的氧化钇耐火砂均匀的撒在蜡模上，并放入干燥间中烘干8h，进行充分干燥。以上过程反复涂挂3层。
49.(3)背层型壳的涂挂：涂挂工作环境温度控制在18～27℃，空气相对湿度在30％～42％，背层粘结剂选用硅溶胶(固含量30％)，背层耐火材料是将铝矾土和刚玉粉按照质量比1:1通过搅拌机混合后，通过电弧熔炼的方式将其熔融，采用破碎机破碎成100目左右的耐火砂，将型壳浸入涂料中，待涂料自然流下后，均匀撒一层耐火砂，重复以上过程涂挂8层。
50.(4)型壳脱蜡：采用红外脱蜡技术。加热至300
±
20℃，开排风，保温1h，将型壳内部的蜡料去除后，温度降至100
±
20℃出炉。
51.(5)型壳焙烧：在箱式电阻炉进行型壳焙烧，采用阶梯升温方式，缓慢升温至600
±
15℃，保温3h后，升温至1200℃，保温4h，冷却到200℃出炉。
52.四、陶瓷型壳加热保温
53.将组型完成的陶瓷型壳放入500℃电阻炉中，保温2h后。转移并固定在真空悬浮炉内的离心盘上，采用石棉覆盖在型壳表面用于保温。
54.五、真空悬浮熔炼炉内进行熔炼并浇注
55.高硬耐磨钛基复合材料一次铸锭放置于水冷铜坩埚中心处，关闭炉体后启动真空系统，2次氩气洗炉，通过机械泵和扩散泵将真空度控制在5
×
10-2
pa后，充入氩气作为保护气体，开始熔炼。熔炼时间控制在15min，浇注温度在1000℃，控制电压380v，功率在380kw。冷却水温度在35℃。选用离心浇注方式，离心盘的转速150转/分时，启动液压装置翻转坩埚，完成浇注。
56.实施例2
57.与实施例1的区别在于：改变合金成分，提高c、b的比例，提高球磨机的转速：
58.一、对原材料粉末进行预处理；
59.(a)球磨处理：球磨机转数为250rad/min，球磨时间为8h。最终得到大小为20～45μm的外部包裹石墨烯和硼粉，内部为钛颗粒的核壳结构粉末。
60.(b)真空混料：混料时间为4h。
61.二、热等静压粉末冶金工艺制备高硬耐磨损钛基复合材料一次锭；
62.热等静压温度为930℃，在140mpa的氩气氛围中保温5h，随炉冷却至280℃。
63.三、制备陶瓷型壳铸型；
64.(1)蜡模的制备。
65.(2)面层型壳的涂挂：面层涂料为硅溶胶(固含量25％)和50目氧化钇粉末，按3：1的质量比组成的浆料。选取50目的氧化钇耐火砂均匀的撒在蜡模上。
66.(3)背层型壳的涂挂：背层粘结剂选用硅溶胶(固含量35％)，背层耐火材料是将铝矾土和刚玉粉按照质量比1.5:1通过搅拌机混合后，通过电弧熔炼的方式将其熔融，采用破碎机破碎成100目左右的耐火砂，将型壳浸入涂料中，待涂料自然流下后，均匀撒一层耐火砂，重复以上过程涂挂10层。
67.(4)型壳脱蜡。
68.(5)型壳焙烧：缓慢升温至500
±
15℃，保温3h后，升温至1200℃，保温4h，冷却到200℃出炉。
69.四、陶瓷型壳加热保温。
70.五、真空悬浮熔炼炉内进行熔炼并浇注
71.熔炼时间控制在20min，浇注温度在1200℃，控制电压400v，功率在350kw。冷却水温度在33℃。选用离心浇注方式，离心盘的转速200转/分时，启动液压装置翻转坩埚，完成浇注。
72.实施例3
73.与实施例1的区别在于：改变球磨机转数，改变合计成分、改变面层涂挂材料比例：
74.一、对原材料粉末进行预处理；
75.(a)球磨处理：球磨机转数为250rad/min，球磨时间为9h。最终得到大小为20～45μm的外部包裹石墨烯和硼粉，内部为钛颗粒的核壳结构粉末。
76.(b)真空混料：混料时间为5h。
77.二、热等静压粉末冶金工艺制备高硬耐磨损钛基复合材料一次锭；
78.热等静压温度为950℃，在130mpa的氩气氛围中保温6h，随炉冷却至280℃。
79.三、制备陶瓷型壳铸型；
80.(1)蜡模的制备。
81.(2)面层型壳的涂挂：面层涂料为硅溶胶(固含量30％)与60目氧化钇粉末，按4：1的质量比组成的浆料。选取50目的氧化钇耐火砂均匀的撒在蜡模上。
82.(3)背层型壳的涂挂：背层粘结剂选用硅溶胶(含固量38％)，背层耐火材料是将铝矾土和刚玉粉按照质量比1:1.5通过搅拌机混合后，通过电弧熔炼的方式将其熔融，采用破碎机破碎成100目左右的耐火砂，将型壳浸入涂料中，待涂料自然流下后，均匀撒一层耐火砂，重复以上过程涂挂9层。
83.(4)型壳脱蜡。
84.(5)型壳焙烧：缓慢升温至615℃，保温3h后，升温至1150℃，保温4h，冷却到200℃出炉。
85.四、陶瓷型壳加热保温。
86.五、真空悬浮熔炼炉内进行熔炼并浇注
87.熔炼时间控制在25min，浇注温度在1200℃，控制电压400v，功率在400kw。冷却水温度在30℃。选用离心浇注方式，离心盘的转速200转/分时，启动液压装置翻转坩埚，完成浇注。
88.对比例1
89.采用压制电极锭和真空自耗凝壳炉熔炼浇注的铸锭其上中下三点化学成分偏差≤1.5wt.％，而采用本发明所述方法制备的铸锭上中下三点化学成分偏差≤0.5wt.％。
90.对比例2
91.采用传统的陶瓷型壳浇注的叶轮表面粗糙度ra在10～12.5之间。而采用本发明所述方法制备的叶轮粗糙度ra≤6.3。
92.表1钛合金组成(wt％)
[0093][0094]
表2制备所得铸件的性能
[0095][0096]
注：摩擦系数和磨损量均为在200n的载荷，转数为120r/min下测试所得。
[0097]
本发明未尽事宜为公知技术。
[0098]
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种高硬耐磨损钛合金，其特征在于，按照质量百分比计，所述钛合金的组成为：al 5～12％、mo 3～6％、v 1～5％、zr 1～5％、nb 0.5～2％、y 0.1～0.8％，c 1～3％，b 1.5～3％，ti余量。2.按照权利要求1所述高硬耐磨损钛合金，其特征在于，按照质量百分比计，所述钛合金的组成为：al 5～7％、mo 3～6％、v 1～4％、zr 1～2％、nb 0.5～2％、y 0.1～0.8％，c 1～3％，b 1.5～3％，ti余量。3.一种权利要求1所述高硬耐磨损钛合金的精密铸造方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)对原材料粉末进行预处理；(2)采用热等静压粉末冶金工艺制备高硬耐磨损钛合金材料一次锭；(3)制备陶瓷型壳铸型；(4)陶瓷型壳加热保温；(5)真空悬浮熔炼炉内进行熔炼并浇注。4.按照权利要求3所述高硬耐磨损钛合金的精密铸造方法，其特征在于：步骤(1)中，所述预处理为将纯钛粉、硼粉末、氧化石墨烯粉末进行球磨处理得到外部包裹石墨烯和硼粉、内部为钛的核壳结构粉末，再将该粉末与其它合金原料混合。5.按照权利要求3或4所述高硬耐磨损钛合金的精密铸造方法，其特征在于：步骤(1)中，所述预处理的工艺过程如下：(a)球磨处理：清洗球磨罐后，将200～300μm的纯钛粉与100μm硼粉末、5～50μm氧化石墨烯粉末按体积比5～8:1～2:1～2的比例放入球磨罐中，按球料比6～10:1加入氧化锆球；封闭球磨罐后抽真空至1
×
10-3
mpa以下，并通入氩气后将球磨罐放入行星式球磨机中，设定球磨机转数为200～250rad/min，设定球磨时间为6～9h；球磨得到大小为20～80μm的外部包裹石墨烯和硼粉、内部为钛的核壳结构粉末；(b)真空混料：将球磨处理的粉末和其它原材料进行真空混料，抽真空至5
×
10-1
mpa以下，将混料罐放置到混料机中，设置混料时间为3～5h。6.按照权利要求3所述高硬耐磨损钛合金的精密铸造方法，其特征在于，步骤(2)中，热等静压粉末冶金工艺过程如下：(a)灌料：在真空手套箱中通过导管将粉末材料灌入包套，并使用振动台震实后密封；(b)包套焊封：将包套内真空度控制在5
×
10-2
mpa以下，导管焊接密封；(c)热等静压粉末冶金：将密封完成的包套放入热等静压设备中，在940
±
10℃、130～140mpa的氩气氛围中保温4～6h，随炉冷却至280℃；(d)包套去除：去除包套，铸锭表面经过酒精清洗处理得到一次锭。7.按照权利要求3所述高硬耐磨损钛合金的精密铸造方法，其特征在于，步骤(3)中，陶瓷型壳的制备方法为：(a)蜡模的制备；(b)面层型壳的涂挂：涂挂工作环境温度控制在15～25℃，空气相对湿度在30％-52％；面层涂料为固含量20％～30％的硅溶胶和50～60目的氧化钇粉末，两者按质量比3～4：1组成浆料；选取40～60目的耐火氧化钇砂均匀的撒在型壳上，并放入干燥间中烘干8h～10h；以上过程反复涂挂3～4层；
(c)背层型壳的涂挂：涂挂工作环境温度控制在18～27℃，空气相对湿度在30％～42％；背层粘结剂选用固含量30％～40％的硅溶胶，背层耐火材料是将铝矾土和刚玉粉按照质量比1～1.5:1通过搅拌机混合后，通过电弧熔炼的方式将其熔融，采用破碎机破碎成100～150目的耐火砂，将型壳浸入涂料中，待涂料自然流下后，均匀撒一层耐火砂，重复以上过程涂挂8～10层；(d)型壳脱蜡：采用红外脱蜡技术，红外脱蜡炉加热至300
±
20℃，同时开排风，保温1～3h，将型壳内部的蜡料去除后，温度降至100
±
20℃出炉；(e)型壳焙烧：采用阶梯升温方式，以10℃/min的速度升温至600
±
15℃，保温3～5h后，升温至1000～1200℃，保温4h，冷却到200℃出炉。8.按照权利要求3所述高硬耐磨损钛合金的精密铸造方法，其特征在于：步骤(4)中，陶瓷型壳在500～550℃下保温1～2h。9.按照权利要求3所述高硬耐磨损钛合金的精密铸造方法，其特征在于，步骤(5)中，真空熔炼悬浮炉内进行熔炼并浇注具体步骤如下：将一次铸锭放置于水冷铜坩埚中心处，通入氩气洗炉，重复2～3次，真空度控制在5
×
10-2
pa以下，充入保护气体，开始熔炼；熔炼时间控制在15～25min，浇注温度在1500～1600℃，控制电压380～420v，功率在320～360kw，冷却水温度在38℃以下；使用离心浇注工艺，离心盘的转速150～200r/min，启动液压装置翻转坩埚，完成浇注。10.一种采用权利要求3～9任一项所述方法制备得到的高硬耐磨损钛合金，其特征在于：所述钛合金的维氏硬度为400～590hv，在200n的载荷，转数为120r/min下摩擦系数为0.32～0.46，平均的磨损量为78.9～120mg。

技术总结
本发明的目的在于提供一种高硬耐磨损钛合金及其精密铸造方法，采用热等静压粉末冶金技术和真空悬浮熔炼相结合的制备方法，先通过高能球磨的方式将Ti粉与B粉、氧化石墨烯产生机械结合，使Ti粉表面覆盖B粉和氧化石墨烯，形成核壳结构。加入球磨处理后的粉末后真空混料，配比原材料质量分数为：Al 5～12％、Mo 3～6％、V 1～5％、Zr 1～5％、Nb 0.5～2％、Y 0.1～0.8％，C 1～3％，B 1.5～3％，Ti余量，通过粉末冶金热等静压方式制备一次锭，最后通过真空悬浮熔炼炉离心铸造，得到均匀、细小的TiB、TiC增强相，材料具有优异的硬度和摩擦磨损性能，并通过陶瓷型壳精密铸造的方式制备高硬耐磨损钛合金材料铸件。损钛合金材料铸件。损钛合金材料铸件。


技术研发人员：谢华生 赵军 刘时兵 史昆 刘宏宇 刘鸿羽 谢嘉琪 张志勇 陈晓明 张有为 姚谦
受保护的技术使用者：沈阳铸造研究所有限公司
技术研发日：2021.12.23
技术公布日：2023/7/13