本發(fā)明涉及粉末冶金，具體涉及一種鈦合金粉末多元控序制備低氧鈦合金薄板的方法。

背景技術：

1、鈦合金憑借其低密度、高強度以及良好的耐腐蝕性等優(yōu)勢，在航空航天、電子設備以及醫(yī)療器械等眾多高端領域展現出了極為重要的應用價值。當前，制備鈦合金薄板的傳統(tǒng)方法主要包括熔鑄?-?軋制工藝和粉末冶金工藝。

2、粉末冶金技術是目前最具經濟性的鈦合金制備工藝之一，可以大幅度提高材料利用率，并且制備出的鈦合金組織均勻細小，性能良好。然而，由于鈦合金高活性、高熔點的特性使得粉末鈦合金致密化困難，通常需要以昂貴的球形預合金粉末與熱等靜壓等高成本的成形工藝相結合才能實現，這與粉末冶金降低成本的目的相?！，F有技術中，如cn110238401a公開的一種粉末軋制制備高致密度細晶鈦合金的方法。該專利提到通過粉末軋制結合后續(xù)處理提高致密度和細化晶粒，其采用冷等靜壓的工藝制作塊狀鈦合金坯體，然后進行軋制，其利用粉末冶金的方式可以軋制出高密度、細化晶粒的鈦合金，但是其仍需要進行傳統(tǒng)的多次軋制方式，即先形成鈦合金鑄錠，再經過多道軋制工序來獲得所需厚度的薄板。例如，先形成鑄錠，然后經過反復熱軋，不斷壓延，若需要軋制1mm的薄板，可能需要約10~20次的反復軋制。然而，這種從鈦合金鑄錠坯體軋制薄板的方法存在諸多弊端，一方面，熔煉過程需要極高的溫度和大量的能源投入，這不僅導致能耗巨大，還容易因高溫使得鈦合金與熔爐環(huán)境發(fā)生反應，造成氧、氮等雜質元素的引入，進而影響薄板的質量。另一方面，在軋制毫米級甚至更薄的薄板時，對設備精度和工藝控制要求極高，加工難度大且成品率較低，生產成本高昂。

3、粉末冶金工藝在一定程度上改善了熔鑄?-?軋制工藝的部分問題，它能夠提高材料利用率，且制備的鈦合金組織相對均勻。但該工藝同樣面臨挑戰(zhàn)，由于鈦合金粉末本身具有高活性，在常規(guī)的壓制和燒結過程中，極易與周圍環(huán)境中的氧、水汽等發(fā)生反應，致使粉末氧化，影響最終產品的性能。而且，要獲得致密的鈦合金薄板，往往需要復雜且昂貴的后續(xù)處理工藝，如熱等靜壓等，這與粉末冶金降低成本的初衷相背離。同時，傳統(tǒng)粉末冶金制備的薄板在厚度控制方面存在局限，難以穩(wěn)定生產出毫米級以下的超薄規(guī)格產品。

4、鑒于以上，有必要提出一種鈦合金粉末多元控序制備低氧鈦合金薄板的方法來解決上述問題。

技術實現思路

1、本發(fā)明的目的在于，克服現有技術中存在的缺陷，提供一種鈦合金粉末多元控序制備低氧鈦合金薄板的方法。

2、為實現上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：一種鈦合金粉末多元控序制備低氧鈦合金薄板的方法，包括以下步驟，

3、s1：造粒，將鈦合金粉末與粘合劑進行混合造粒，制得由粘合劑包裹的粉末顆粒原料；所述粘合劑的組成包括聚乙烯亞胺(pei)?8-18wt%、羥乙基纖維素(hec)?0.1-1?wt%、異丙醇15-25?wt%、乙二醇單丁醚25-35?wt%、其余量為水；

4、所述造粒階段控制粘合劑添加的質量比在0.5-7%，所述粘合劑粘度在?500?-1000?cps，造粒溫度?25?-?35℃，控制粉末顆粒原料的力度均勻性和強度。

5、s2：粉末軋制，對粉末顆粒原料進行軋制，得到鈦合金薄板或者薄卷的板材坯料；軋制速度控制在?0.5?-?6m/min，軋制壓力?50-150mpa，保證軋制厚度均勻，初次軋制厚度控制在?1?-?3mm。實際加工時，粉末顆?？梢酝ㄟ^軋機軋制得到鈦合金薄板或者薄卷的板材坯料；使用專門的粉末軋機，這種軋機具有一些特殊設計，適應粉末顆粒的軋制。將造粒后的粉末顆粒原料均勻地送入軋機的兩個軋輥之間。隨著軋輥的轉動，粉末顆粒在軋輥的壓力作用下被逐漸壓實。由于軋輥表面是光滑且具有一定壓力的，粉末顆粒之間的空隙逐漸減小，顆粒被擠壓變形并相互靠攏。在軋制壓力的持續(xù)作用下，粉末顆粒之間的結合力逐漸增強，開始形成連續(xù)的坯料。通過控制軋制速度、軋制壓力以及初始粉末顆粒的狀態(tài)等參數，可以保證軋制厚度均勻，使粉末顆粒逐漸形成具有一定厚度、寬度和長度的鈦合金薄板或者薄卷的板材坯料。

6、s3：脫脂、脫氫處理，本步驟用于對板材坯料去除造粒步驟中添加的粘合劑；真空度達到?10-3-10-4?pa，脫脂溫度?400-700℃，脫脂時間?2?-?4h，實際使用時，脫脂時間的控制依據為環(huán)境真空度的恒定保持；不同批次進入爐內的鈦合金薄板數量不同，脫脂時爐內建立真空環(huán)境，脫脂過程中隨著粘合劑的揮發(fā)，爐內真空度會降低，過程中監(jiān)控真空度，當爐內保持恒定的高真空度一定時間后，即可判斷產品脫脂完畢；從而確保脫脂完全；脫氫溫度?750?-?900℃，升溫速率?5?-?10℃/min，保溫時間?1?-?2h，脫氫與脫脂在同一爐內先后進行，其脫氫判斷的依據可以與前述脫脂判斷方法相同，保證脫氫充分。

7、在對鈦合金粉末使用150?mpa高壓軋制時，可以使粉末顆粒發(fā)生塑性變形和相互擠壓，促使顆粒之間的接觸面積增大，從而形成一定的機械嚙合和物理吸附作用，使粉末之間初步連接，從而使薄板成型。在后續(xù)的脫脂、脫氫處理時，在升到900℃的高溫下，雖然還未達到鈦合金顆粒的熔點，但是在?900°c?的高溫下，原子具有較高的活性，會發(fā)生擴散現象。鈦合金顆粒表面的原子會相互擴散，使得顆粒之間形成冶金結合，從而逐漸形成連接。這種連接是通過原子間的擴散和鍵合實現的，有助于提高材料的致密度和力學性能。

8、脫脂在真空或惰性氣體氛圍下進行。在真空環(huán)境有效避免脫脂過程中材料與空氣中的氧氣發(fā)生反應，防止氧化。使用惰性氣體如氬氣、氮氣等也能起到隔絕氧氣的作用，為脫脂提供一個無氧的環(huán)境，確保脫脂效果和材料的純凈度。

9、脫氫在真空或氫氣與惰性氣體的混合氛圍中進行。真空環(huán)境有利于氫原子從材料內部擴散到表面并逸出。在氫氣與惰性氣體的混合氛圍中，適當的氫氣分壓可以促進脫氫反應的進行，同時惰性氣體起到稀釋和保護作用，防止材料過度氧化。

10、s4：燒結，通過高溫對鈦合金薄板坯料燒結，用于閉合材料內部孔隙和坯料致密化。燒結溫度?1100?-?1300℃，保溫時間?2?-?5h，采用脈沖電流燒結可提高致密度。真空燒結可以排除爐內的氧氣和其他雜質氣體，避免材料在高溫下氧化，同時有利于材料內部孔隙的閉合和致密化。惰性氣體燒結時，氣體純度要足夠高，以防止雜質氣體對燒結過程產生不良影響。

11、在前述脫脂、脫氫、燒結的過程中保持控氧處理，以確保產品的氧含量控制在較低水平。嚴格控制氧含量環(huán)境下，控制環(huán)境溫度、壓力，減少坯料與氧氣的接觸，可以建立真空環(huán)境，以控制鈦合金薄板坯料中的氧含量；也可在高純度的惰性氣體氛圍中，如從真空環(huán)境過渡到惰性氣體氛圍，在真空環(huán)境下充入高純氬氣保護，氧含量控制在?100?-?200?ppm甚至更低。前述工序需要在嚴格控制氧含量的環(huán)境下進行，如純度達到?99.99%?以上的氬氣環(huán)境。則通過精確控制惰性氣體的流量、壓力和環(huán)境溫度等參數，減少外界氧氣與材料的接觸，從而精確控制鈦合金薄板中的氧含量，以確保氧含量控制在較低水平。

12、進一步的，還包括以下步驟，

13、s5：熱軋，改善鈦合金薄板組織性能，使鈦合金薄板在高溫下發(fā)生動態(tài)再結晶，粗大的晶粒被破碎和細化，形成細小均勻的等軸晶粒組織，提高鈦合金的強度、韌性、塑性致密度；熱軋的加熱溫度在850?-?950℃，壓下率控制在?30%?-?40%；

14、s7：冷軋，精確控制尺寸和表面質量，通過冷軋對鈦合金薄板的厚度、寬度和長度進行精確控制，使其達到較高的尺寸精度和表面平整度，使其表面更加光滑、平整，粗糙度降低，滿足不同應用領域對鈦合金薄板表面質量的要求；軋輥表面粗糙度?ra?0.05?-?0.1μm，軋制速度?1?-?3m/s，壓下率每次控制在?10%?-?20%。經過冷軋后，鈦合金薄板的組織更加均勻，各向異性程度降低。在軋制方向和垂直于軋制方向上的力學性能更加接近，提高了材料性能的穩(wěn)定性和一致性，有利于后續(xù)的加工和使用。

15、進一步的，所述粘合劑包括聚乙烯醇（pva）或聚乙二醇（peg），聚乙烯醇（pva）具有良好的粘結性能，能使鈦合金粉末顆粒較好地粘結在一起，形成具有一定強度和形狀的顆粒。同時，它在后續(xù)的脫脂處理中相對容易去除。聚乙二醇（peg）：可以調節(jié)顆粒的粘性和流動性，使造粒過程更加均勻，得到的顆粒形狀規(guī)則、大小分布較為均勻。而且它在加熱時能夠較好地揮發(fā)，便于脫脂處理。

16、還可以采用丙烯酸類樹脂，其能賦予顆粒較高的強度和穩(wěn)定性，有助于在后續(xù)加工過程中保持顆粒的完整性。不過，其脫脂過程可能相對復雜一些，需要選擇合適的脫脂方法和條件。

17、粘合劑的使用有助于改善成型性，鈦合金粉末通常具有較小的粒度和較大的比表面積，直接進行軋制等加工難以成型。粘合劑能夠將細小的粉末顆粒粘結在一起，形成較大的顆粒，增加粉末的流動性和成型性，便于后續(xù)的粉末軋制等操作，并且可以很好的隔絕與氧氣的接觸，使粉末能夠更好地填充模具或軋輥之間的空間，形成所需的形狀和尺寸的鈦合金薄板坯料。

18、還可以提高坯體強度，在粉末軋制過程中，坯體需要承受一定的壓力和摩擦力。粘合劑能夠在粉末顆粒之間形成粘結橋，提高坯體的強度和韌性，防止坯體在軋制過程中出現裂紋、破碎等缺陷，保證坯體的完整性和穩(wěn)定性，有利于后續(xù)加工工序的順利進行。

19、脫脂處理的主要目的之一是去除造粒時添加的粘合劑。在后續(xù)的燒結等高溫處理過程中，如果粘合劑殘留，會分解產生氣體，導致鈦合金薄板內部形成氣孔、缺陷等，影響其致密度和力學性能。因此，需要通過脫脂處理將粘合劑去除干凈。本工藝的脫脂過程采用加熱的方式，使粘合劑在一定溫度和氣氛條件下分解、揮發(fā)或熱解。不同的粘合劑由于其化學結構和性質不同，脫脂的溫度、時間和氣氛等條件也有所差異。如果脫脂不徹底，殘留的粘合劑會在燒結過程中產生不良影響，如降低材料的致密度、影響合金元素的擴散等。

20、上述工藝流程的過程控制還包括：

21、造粒前預處理：對粉末進行篩分，去除粗大顆粒和雜質，保證粉末粒度均勻。

22、粉末軋制后：增加平整度檢測，對不平整處進行初步校平。

23、真空脫脂后：進行重量檢測，判斷脫脂是否完全。

24、脫氫后：采用氣體分析儀檢測脫氫程度。

25、燒結后：進行硬度和密度檢測，判斷燒結質量。

26、熱軋后：進行金相組織分析，調整后續(xù)冷軋工藝參數。

27、冷軋后：進行表面質量檢測，包括粗糙度、光澤度等。

28、進一步的，還包括激光沖擊強化處理步驟，通過高能量密度的激光束照射鈦合金薄板表面，使鈦合金薄板表面薄層迅速汽化、電離形成等離子體，等離子體快速膨脹產生高壓沖擊波，使材料表面產生塑性變形，形成一層強化層，提高鈦合金薄板的表面硬度以及抗疲勞性能。

29、進一步的，還包括材料預處理，對經過熱軋和冷軋后的鈦合金薄板，首先進行表面清潔處理，去除表面的油污、灰塵等雜質，以確保激光沖擊強化效果的一致性?？刹捎贸暡ㄇ逑吹姆绞?，將薄板置于含有適量清洗劑的水溶液中，超聲頻率設置為?40?khz，清洗時間?15?分鐘。接著進行雙重退火熱處理，將薄板放置在真空爐中，加熱至?950℃，保溫?1.5小時，然后利用氬氣快速降溫至?550℃，保溫?4?小時，最后氣冷至室溫取出。此步驟能消除冷軋過程中產生的殘余應力，調整材料內部組織結構，為后續(xù)激光沖擊強化奠定良好基礎

30、激光沖擊強化階段：在清潔后的薄板表面均勻涂覆一層吸收層，如黑漆，厚度控制在?0.1?-?0.2mm。將涂覆好吸收層的薄板裝夾在特制機械手上，通過遙控使薄板進入激光器沖擊路徑初始位置。激光器采用高能量脈沖激光器，波長?1064nm，脈沖寬度?20ns，能量密度?3?j/cm2。打開激光器，使光斑準確聚焦在薄板表面沖擊區(qū)域。同時，打開水路系統(tǒng)，調整出水口位置，使噴出的水在薄板表面形成均勻的約束層，水層厚度約?2mm。導入預先設計好的沖擊路徑仿真程序，開始進行激光沖擊強化處理。激光能量束通過水約束層沖擊到吸收層，使吸收層瞬間氣化產生大量高能粒子，這些粒子作用在薄板表面產生沖擊壓力波，形成殘余壓應力，實現表面改性。

31、進一步的，還包括離子注入改性步驟，對冷軋后的鈦合金薄板進行嚴格的表面脫脂處理，將薄板浸泡在有機溶劑（可以采用丙酮）中超聲清洗?20?分鐘，去除表面油污。接著進行酸洗，采用?5%?的氫氟酸和?15%?的硝酸混合溶液，酸洗時間?5?分鐘，以去除表面氧化層和雜質，露出新鮮的金屬表面，提高離子注入的效果和均勻性。酸洗后用去離子水沖洗干凈，并在?100℃的烘箱中干燥?10?分鐘。

32、離子注入階段：將預處理后的薄板放置在離子注入設備的真空腔室內，抽真空至10-6pa?以下。選擇氮離子（n?）作為注入離子，離子能量加速至?80?kev，注入劑量為?5×1017?ions/cm2。在注入過程中，控制真空腔室溫度在?150℃左右，以減少注入過程中產生的晶格損傷，并促進離子在材料內部的擴散和固溶。通過精確控制掃描方式和時間，保證離子均勻注入到薄板表面。

33、后處理階段：離子注入完成后，對薄板進行低溫退火處理，在真空環(huán)境下加熱至300℃，保溫?1?小時，然后隨爐冷卻。此步驟有助于消除注入過程中產生的殘余應力，穩(wěn)定注入離子與基體形成的新結構，進一步提高材料的耐磨、耐腐蝕、表面硬度等性能。

34、本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果在于：本發(fā)明一種鈦合金粉末多元控序制備低氧鈦合金薄板的方法針對現有技術的不足，本工藝路線創(chuàng)新性地采用氫化鈦粉末（或鈦合金粉末），通過加入粘合劑造粒后進行粉末軋制，先初步形成薄板或卷。隨后經過真空脫脂、脫氫、控氧以及燒結等一系列精準控制的工序，有效去除雜質，精確控制氧含量和氫含量，為后續(xù)加工奠定良好基礎。最后通過熱軋和冷軋進一步優(yōu)化薄板的組織和性能，成功解決了傳統(tǒng)工藝中能耗高、雜質引入、成本高昂以及難以制備超薄規(guī)格薄板等問題，有望為鈦合金薄板的生產帶來更高效、低成本且高質量的全新解決方案。