粉末冶金钛合金生产技术

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     钛及钛合金由于密度低、比强度高、屈强比高、良好的塑韧性、耐腐蚀性好等优点，在军工、民用等领域具有广阔的应用前景，其性能及制造技术水平直接影响到这些领域的发展和水平的提高。扩大钛合金市场的瓶颈是钛的提取、熔炼、机加工很难，从而导致生产成本高。钛锭的生产成本约为同重钢锭的30倍、铝锭的6倍，其中从矿石到镁还原制取海绵钛的成本约为制取同重铁的20倍。目前，每吨工业纯钛的成本约为7．5～10$／kg，而航空航天用钛合金的生产成本更是高达 40$／kg_。
    因此降低成本主要是降低工业纯钛生产成本和钛及钛合金的制造加工成本。为了降低钛合金的成本，国外大力发展钛合金无切削、少切削的近净形工艺，粉末冶金技术就是这种近净形工艺之一。制造钛合金部件目前主要有3种方法：①传统的锻造材料加工；②铸造；⑧ 粉末冶金。用锻造进行材料加工，其材料性能优良，但浪费大，加工量大，成本高，且难获得形状复杂的产品；铸造可获得形状复杂的净形或近净形产品，成本较低，但铸造过程中材料的成分偏析、疏松、缩孑L等缺陷难以避免，材料性能较低。钛合金的粉末冶金技术则克服了这2种方法的缺点，同时兼有它们的优点。因而国内外科研者在粉末冶金技术制备钛合金上开展了很多工作。本文就近年来国外研究开发的几种制备高性能钛合金的粉末冶金技术及其应用状况做一简要的介绍。
1 新粉末冶金制备技术
1．1 金属注射成形(MlM)
    金属粉末注射成形(MIM)技术作为一种近净成形技术，可制备高质量、高精度的复杂零件，被认为是目前最有优势的成形技术之一。用MIM 法制造钛及钛合金近净形零件，可大幅降低加工费用。据估计，目前全世界钛的MIM 部件的生产量为每月3～5t。随着制备钛粉工艺的改进和粉末成本的降低- ，钛合金注射成形件的生产量呈增长趋势。
    日本最早采用MIM 技术生产Ti一4wt%Fe合金运动夹板。现在最大的钛粉末注射成形的生产厂是日本Injex，每月生产约2～3t。钛的MIM 产品已在高尔夫球头、自动汽车、医疗器械、牙科植入体及表壳表带等方面获得应用 一。日本Hitachi Metal Precision公司和Casio计算机公司制作的钛合金表壳在1999年国际粉末冶金会议上获得MIM 优胜奖，此表在水深200m仍能正常运转。1 997年日本太平洋金属有限公司采用住友Sitix气雾法制得的球形钛粉，平均粒径23．8 m，采用4O 聚丙烯+6O 石蜡粘结剂，经1443K烧结1．5h得到MIM钛材，材料中间隙元素含量及力学性能如表1
表1 日本太平洋金属有限公司MIM 钛件性能
间隙元素含量wt% 力学性能
O C N σ0.2Mpa σbMpaδ%
0.226 0.04 0.0017 360 504 19
    日本一些大学采用住友Sitix气雾化球形钛粉，由MIM 法制取了Ti一6Al一4V、Ti一12Mo、Ti一5Co合金等。材料性能均优于同等条件下用常规粉末冶金工艺所制得的材料性能，完全达到了相同成分的熔炼锻造材料的水平。此外，日本一家公司用注射成形法制造形状复杂的钛铁合金零件，如田径跑鞋的鞋底钉子。该方法将钛铁合金(Ti一5wt%Fe)粉末和有机粘结剂混合，以196MPa的压力注射成形，在550。C脱脂后，再在1000- 1400。C，1．33×1O Pa条件下进行真空烧结。这样制成的钛铁合金鞋钉与钼合金鞋钉相比，耐磨性和耐冲击性均提高。且重量减轻45 %。汽车喷油嘴形状复杂，尺寸小，用注射成形技术(MIM)研制的Ti?Al金属间化合物和Ti一7．6A1?2．6Cr合金喷油嘴，具有耐高温、耐磨损、质量轻等优良性能，其尺寸精度也达到了使用要求。
1．2 激光成形技术
    激光成形法是一种将高功率激光涂覆技术同先进的快速原型复制法相结合以直接制造复杂三维零部件的激光定向金属沉积加工工艺。激光成形工艺具有高精密、高质量、非接触性、洁净无污染、无噪音、材料消耗少、参数精密控制和高度自动化等特性，可以制造充分致密和高度完整的金属零部件而不需要像铸造、热等静压或低熔点合金的反渗透这样一些中间工艺步骤，因此特别适合于金属化合物等脆性合金的成形与加工。
        美国AeroMet公司开发的激光成形工艺，是把钛合金粉沉积到基体上预先成形，再加工成精密件。该公司用激光成形技术生产的F一22飞机支架、F／A一 18E／F飞机机翼连接板的翼根加强筋，以及起落连杆件3种部件可满足飞机性能的要求。他们用的材料都是Ti一6A1?4Y合金。用铸造和锻造技术制造这些飞机零部件的材料利用率低于5 ，交货时间长达1～2年。利用激光成形法则可以克服这些缺点。目前已用该技术制造出了Ti一6A1?4V、Ti一5A1?2．5Sn、Ti一6Al一 2Sn一4Zr一2Mo一0．1Si 和Ti一6A1?2Sn一2Zr一2Cr一2Mo一0 25Si等合金。
    最近，美国坩埚公司利用大功率CO 的激光设备，将气雾化法制备的Ti一47Al一2Cr一2Nb合金粉末喂入激光束聚焦点，通过计算机三维图形控制制备了尺寸为200×150×32mm 的r-TiAl合金板材。利用激光成形技术，板的成分与原始粉末的成分相近，在制造过程中不会失去铝和吸收氧气。产品的显微组织为完全的片状组织，片团大小为18O～600um (平均尺寸为400um)，片间距约为0．5u m，其力学性能如表2(略) 。激光成形法制备的Ti一6A1?4V合金的力学性能如表3（略），其疲劳性能介于铸造与锻造之间 。
   选择性激光烧结技术作为激光成形技术中发展最迅速的技术之一，目前得到了广泛的发展。它原则上适合于任何可以与激光发生相互作用的粉末材料，尤其是金属粉末。日本大阪大学采用选择性激光烧结技术制备医用钛牙冠件，取得了很好的效果。它是以Nd：YAG激光器为能量源(平均功率为50W)，原材料为球形钛粉。粗钛粉激光烧结件的相对密度为84%，抗拉强度为70MPa。而细小的球形钛粉(粒度为25um)的激光烧结件，其相对密度达到93% ．抗拉强度是150MPa。
1．3 温压成形技术
    温压成形技术是近几年新发展起来的一次压制、一次烧结工艺，是制造高密度、高性能粉末冶金结构零件的一项经济可行的新技术。它是在混合物中添加新型润滑剂，然后将粉末和模具加热至15O。C左右进行压制，最后采用传统的烧结工艺进行烧结，是普通模压技术的发展与延伸，被国际粉末冶金界誉为“开创铁基粉末冶金零部件应用新纪元”和“导致粉末冶金技术革命”的新成形技术。
    最近德国Fraunhofer研究所在温压成形技术的基础上开发了一种被称为流动温压工艺的粉末冶金新技术一。该技术以温压工艺为基础，结合金属注射成形的优点，通过加入适量的微细粉末和加大润滑剂的含量大大提高了混合粉末的流动性、填充性和成形性。流动温压成形技术原则上可适合所有具有足够好的烧结性能的粉末体系。其主要特点是可成形几何形状复杂的零部件；产品密度高、性能均匀；工艺简单、成本低廉。
    研究人员 采用了如图1所示的一种可拆钢模，水平孔和垂直孔的直径都是1 6ram。所用粉末为纯Ti粉，用150gm以下颗粒的粉末为粗粉，细粉由气雾化法制备。样品在T一型模具中压制，于1250。C真空中烧结2h后，用密度仪测得不同部位(在零件几何草图上用1～6标出)的密度(理论密度为4．5g／cm。)，得知，采用流动温压成形技术可以获得很高的密度。微细粉末的加入可以使装粉更均匀，并且具有较好的烧结性能，烧结后样品密度分布也较好，如距离零件中心轴采用常规粉末压制法，该处往往密度偏低。用传统模压工艺在压机上成形零件时，一般说来，其各个断面的密度是不同的，这主要是由于模壁摩擦造成的，也是内压力在压制的粉末中分布不均所致。而采用流动温压成形技术后，由于在压制时，混合粉末变成具有良好流动性的粘流体，因此摩擦力减小，压制压力也得到了很好的传递，从而密度分布也得到了很好的改善。
2 结语
    钛合金的高成本限制了其更广泛的推广和应用，综合上述几种粉末冶金新技术，粉末冶金技术在制备钛合金方面具有材料利用率高、能耗低、经济效益高等优点，从而降低了成本，且是生产某些形状复杂零件的唯一方法。同时高质量、低成本钛粉末的利用使钛粉末冶金产品获得了较好的发展，诸如钛注射成形、激光成形等粉末冶金产品已在民用工业中有了明显的增长。我们相信注射成形、激光成形、温压成形等粉末冶金技术将会更加广泛地推动钛粉末冶金工业的发展。

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