粉末冶金鈦合金生產技術

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     鈦及鈦合金由于密度低、比強度高、屈強比高、良好的塑韌性、耐腐蝕性好等優點，在軍工、民用等領域具有廣闊的應用前景，其性能及制造技術水平直接影響到這些領域的發展和水平的提高。擴大鈦合金市場的瓶頸是鈦的提取、熔煉、機加工很難，從而導致生產成本高。鈦錠的生產成本約為同重鋼錠的30倍、鋁錠的6倍，其中從礦石到鎂還原制取海綿鈦的成本約為制取同重鐵的20倍。目前，每噸工業純鈦的成本約為7．5～10$／kg，而航空航天用鈦合金的生產成本更是高達 40$／kg_。
    因此降低成本主要是降低工業純鈦生產成本和鈦及鈦合金的制造加工成本。為了降低鈦合金的成本，國外大力發展鈦合金無切削、少切削的近凈形工藝，粉末冶金技術就是這種近凈形工藝之一。制造鈦合金部件目前主要有3種方法：①傳統的鍛造材料加工；②鑄造；⑧ 粉末冶金。用鍛造進行材料加工，其材料性能優良，但浪費大，加工量大，成本高，且難獲得形狀復雜的產品；鑄造可獲得形狀復雜的凈形或近凈形產品，成本較低，但鑄造過程中材料的成分偏析、疏松、縮孑L等缺陷難以避免，材料性能較低。鈦合金的粉末冶金技術則克服了這2種方法的缺點，同時兼有它們的優點。因而國內外科研者在粉末冶金技術制備鈦合金上開展了很多工作。本文就近年來國外研究開發的幾種制備高性能鈦合金的粉末冶金技術及其應用狀況做一簡要的介紹。
1 新粉末冶金制備技術
1．1 金屬注射成形(MlM)
    金屬粉末注射成形(MIM)技術作為一種近凈成形技術，可制備高質量、高精度的復雜零件，被認為是目前最有優勢的成形技術之一。用MIM 法制造鈦及鈦合金近凈形零件，可大幅降低加工費用。據估計，目前全世界鈦的MIM 部件的生產量為每月3～5t。隨著制備鈦粉工藝的改進和粉末成本的降低- ，鈦合金注射成形件的生產量呈增長趨勢。
    日本最早采用MIM 技術生產Ti一4wt%Fe合金運動夾板。現在最大的鈦粉末注射成形的生產廠是日本Injex，每月生產約2～3t。鈦的MIM 產品已在高爾夫球頭、自動汽車、醫療器械、牙科植入體及表殼表帶等方面獲得應用 一。日本Hitachi Metal Precision公司和Casio計算機公司制作的鈦合金表殼在1999年國際粉末冶金會議上獲得MIM 優勝獎，此表在水深200m仍能正常運轉。1 997年日本太平洋金屬有限公司采用住友Sitix氣霧法制得的球形鈦粉，平均粒徑23．8 m，采用4O 聚丙烯+6O 石蠟粘結劑，經1443K燒結1．5h得到MIM鈦材，材料中間隙元素含量及力學性能如表1
表1 日本太平洋金屬有限公司MIM 鈦件性能
間隙元素含量wt% 力學性能
O C N σ0.2Mpa σbMpaδ%
0.226 0.04 0.0017 360 504 19
    日本一些大學采用住友Sitix氣霧化球形鈦粉，由MIM 法制取了Ti一6Al一4V、Ti一12Mo、Ti一5Co合金等。材料性能均優于同等條件下用常規粉末冶金工藝所制得的材料性能，完全達到了相同成分的熔煉鍛造材料的水平。此外，日本一家公司用注射成形法制造形狀復雜的鈦鐵合金零件，如田徑跑鞋的鞋底釘子。該方法將鈦鐵合金(Ti一5wt%Fe)粉末和有機粘結劑混合，以196MPa的壓力注射成形，在550。C脫脂后，再在1000- 1400。C，1．33×1O Pa條件下進行真空燒結。這樣制成的鈦鐵合金鞋釘與鉬合金鞋釘相比，耐磨性和耐沖擊性均提高。且重量減輕45 %。汽車噴油嘴形狀復雜，尺寸小，用注射成形技術(MIM)研制的Ti?Al金屬間化合物和Ti一7．6A1?2．6Cr合金噴油嘴，具有耐高溫、耐磨損、質量輕等優良性能，其尺寸精度也達到了使用要求。
1．2 激光成形技術
    激光成形法是一種將高功率激光涂覆技術同先進的快速原型復制法相結合以直接制造復雜三維零部件的激光定向金屬沉積加工工藝。激光成形工藝具有高精密、高質量、非接觸性、潔凈無污染、無噪音、材料消耗少、參數精密控制和高度自動化等特性，可以制造充分致密和高度完整的金屬零部件而不需要像鑄造、熱等靜壓或低熔點合金的反滲透這樣一些中間工藝步驟，因此特別適合于金屬化合物等脆性合金的成形與加工。
        美國AeroMet公司開發的激光成形工藝，是把鈦合金粉沉積到基體上預先成形，再加工成精密件。該公司用激光成形技術生產的F一22飛機支架、F／A一 18E／F飛機機翼連接板的翼根加強筋，以及起落連桿件3種部件可滿足飛機性能的要求。他們用的材料都是Ti一6A1?4Y合金。用鑄造和鍛造技術制造這些飛機零部件的材料利用率低于5 ，交貨時間長達1～2年。利用激光成形法則可以克服這些缺點。目前已用該技術制造出了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，美國坩堝公司利用大功率CO 的激光設備，將氣霧化法制備的Ti一47Al一2Cr一2Nb合金粉末喂入激光束聚焦點，通過計算機三維圖形控制制備了尺寸為200×150×32mm 的r-TiAl合金板材。利用激光成形技術，板的成分與原始粉末的成分相近，在制造過程中不會失去鋁和吸收氧氣。產品的顯微組織為完全的片狀組織，片團大小為18O～600um (平均尺寸為400um)，片間距約為0．5u m，其力學性能如表2(略) 。激光成形法制備的Ti一6A1?4V合金的力學性能如表3（略），其疲勞性能介于鑄造與鍛造之間 。
   選擇性激光燒結技術作為激光成形技術中發展最迅速的技術之一，目前得到了廣泛的發展。它原則上適合于任何可以與激光發生相互作用的粉末材料，尤其是金屬粉末。日本大阪大學采用選擇性激光燒結技術制備醫用鈦牙冠件，取得了很好的效果。它是以Nd：YAG激光器為能量源(平均功率為50W)，原材料為球形鈦粉。粗鈦粉激光燒結件的相對密度為84%，抗拉強度為70MPa。而細小的球形鈦粉(粒度為25um)的激光燒結件，其相對密度達到93% ．抗拉強度是150MPa。
1．3 溫壓成形技術
    溫壓成形技術是近幾年新發展起來的一次壓制、一次燒結工藝，是制造高密度、高性能粉末冶金結構零件的一項經濟可行的新技術。它是在混合物中添加新型潤滑劑，然后將粉末和模具加熱至15O。C左右進行壓制，最后采用傳統的燒結工藝進行燒結，是普通模壓技術的發展與延伸，被國際粉末冶金界譽為“開創鐵基粉末冶金零部件應用新紀元”和“導致粉末冶金技術革命”的新成形技術。
    最近德國Fraunhofer研究所在溫壓成形技術的基礎上開發了一種被稱為流動溫壓工藝的粉末冶金新技術一。該技術以溫壓工藝為基礎，結合金屬注射成形的優點，通過加入適量的微細粉末和加大潤滑劑的含量大大提高了混合粉末的流動性、填充性和成形性。流動溫壓成形技術原則上可適合所有具有足夠好的燒結性能的粉末體系。其主要特點是可成形幾何形狀復雜的零部件；產品密度高、性能均勻；工藝簡單、成本低廉。
    研究人員 采用了如圖1所示的一種可拆鋼模，水平孔和垂直孔的直徑都是1 6ram。所用粉末為純Ti粉，用150gm以下顆粒的粉末為粗粉，細粉由氣霧化法制備。樣品在T一型模具中壓制，于1250。C真空中燒結2h后，用密度儀測得不同部位(在零件幾何草圖上用1～6標出)的密度(理論密度為4．5g／cm。)，得知，采用流動溫壓成形技術可以獲得很高的密度。微細粉末的加入可以使裝粉更均勻，并且具有較好的燒結性能，燒結后樣品密度分布也較好，如距離零件中心軸采用常規粉末壓制法，該處往往密度偏低。用傳統模壓工藝在壓機上成形零件時，一般說來，其各個斷面的密度是不同的，這主要是由于模壁摩擦造成的，也是內壓力在壓制的粉末中分布不均所致。而采用流動溫壓成形技術后，由于在壓制時，混合粉末變成具有良好流動性的粘流體，因此摩擦力減小，壓制壓力也得到了很好的傳遞，從而密度分布也得到了很好的改善。
2 結語
    鈦合金的高成本限制了其更廣泛的推廣和應用，綜合上述幾種粉末冶金新技術，粉末冶金技術在制備鈦合金方面具有材料利用率高、能耗低、經濟效益高等優點，從而降低了成本，且是生產某些形狀復雜零件的唯一方法。同時高質量、低成本鈦粉末的利用使鈦粉末冶金產品獲得了較好的發展，諸如鈦注射成形、激光成形等粉末冶金產品已在民用工業中有了明顯的增長。我們相信注射成形、激光成形、溫壓成形等粉末冶金技術將會更加廣泛地推動鈦粉末冶金工業的發展。

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