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粉末冶金鈦合金生產(chǎn)技術(shù)

發(fā)布者：2021-04-20 10:19:36
鈦及鈦合金由于密度低、比強(qiáng)度高、屈強(qiáng)比高、良好的塑韌性、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在軍工、民用等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，其性能及制造技術(shù)水平直接影響到這些領(lǐng)域的發(fā)展和水平的提高。擴(kuò)大鈦合金市場的瓶頸是鈦的提取、熔煉、機(jī)加工很難，從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本高。鈦錠的生產(chǎn)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(yè)純鈦的成本約為7．5～10$／kg，而航空航天用鈦合金的生產(chǎn)成本更是高達(dá) 40$／kg_。
    因此降低成本主要是降低工業(yè)純鈦生產(chǎn)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(fā)展鈦合金無切削、少切削的近凈形工藝，粉末冶金技術(shù)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(tǒng)的鍛造材料加工；②鑄造；⑧ 粉末冶金。用鍛造進(jìn)行材料加工，其材料性能優(yōu)良，但浪費(fèi)大，加工量大，成本高，且難獲得形狀復(fù)雜的產(chǎn)品；鑄造可獲得形狀復(fù)雜的凈形或近凈形產(chǎn)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(shù)則克服了這2種方法的缺點(diǎn)，同時(shí)兼有它們的優(yōu)點(diǎn)。因而國內(nèi)外科研者在粉末冶金技術(shù)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(fā)的幾種制備高性能鈦合金的粉末冶金技術(shù)及其應(yīng)用狀況做一簡要的介紹。
1 新粉末冶金制備技術(shù)
1．1 金屬注射成形(MlM)
    金屬粉末注射成形(MIM)技術(shù)作為一種近凈成形技術(shù)，可制備高質(zhì)量、高精度的復(fù)雜零件，被認(rèn)為是目前最有優(yōu)勢的成形技術(shù)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(fèi)用。據(jù)估計(jì)，目前全世界鈦的MIM 部件的生產(chǎn)量為每月3～5t。隨著制備鈦粉工藝的改進(jìn)和粉末成本的降低- ，鈦合金注射成形件的生產(chǎn)量呈增長趨勢。
    日本最早采用MIM 技術(shù)生產(chǎn)Ti一4wt%Fe合金運(yùn)動夾板?，F(xiàn)在最大的鈦粉末注射成形的生產(chǎn)廠是日本Injex，每月生產(chǎn)約2～3t。鈦的MIM 產(chǎn)品已在高爾夫球頭、自動汽車、醫(yī)療器械、牙科植入體及表殼表帶等方面獲得應(yīng)用 一。日本Hitachi Metal Precision公司和Casio計(jì)算機(jī)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(yōu)勝獎(jiǎng)，此表在水深200m仍能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。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(jié)劑，經(jīng)1443K燒結(jié)1．5h得到MIM鈦材，材料中間隙元素含量及力學(xué)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(xué)性能
O C N σ0.2Mpa σbMpaδ%
0.226 0.04 0.0017 360 504 19
    日本一些大學(xué)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(yōu)于同等條件下用常規(guī)粉末冶金工藝所制得的材料性能，完全達(dá)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(fù)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(jī)粘結(jié)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(jìn)行真空燒結(jié)。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(fù)雜，尺寸小，用注射成形技術(shù)(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(zhì)量輕等優(yōu)良性能，其尺寸精度也達(dá)到了使用要求。
1．2 激光成形技術(shù)
    激光成形法是一種將高功率激光涂覆技術(shù)同先進(jìn)的快速原型復(fù)制法相結(jié)合以直接制造復(fù)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(zhì)量、非接觸性、潔凈無污染、無噪音、材料消耗少、參數(shù)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(diǎn)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(fā)的激光成形工藝，是把鈦合金粉沉積到基體上預(yù)先成形，再加工成精密件。該公司用激光成形技術(shù)生產(chǎn)的F一22飛機(jī)支架、F／A一 18E／F飛機(jī)機(jī)翼連接板的翼根加強(qiáng)筋，以及起落連桿件3種部件可滿足飛機(jī)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(shù)制造這些飛機(jī)零部件的材料利用率低于5 ，交貨時(shí)間長達(dá)1～2年。利用激光成形法則可以克服這些缺點(diǎn)。目前已用該技術(shù)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(shè)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(diǎn)，通過計(jì)算機(jī)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(shù)，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(chǎn)品的顯微組織為完全的片狀組織，片團(tuán)大小為18O～600um (平均尺寸為400um)，片間距約為0．5u m，其力學(xué)性能如表2(略) 。激光成形法制備的Ti一6A1?4V合金的力學(xué)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(jié)技術(shù)作為激光成形技術(shù)中發(fā)展最迅速的技術(shù)之一，目前得到了廣泛的發(fā)展。它原則上適合于任何可以與激光發(fā)生相互作用的粉末材料，尤其是金屬粉末。日本大阪大學(xué)采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制備醫(yī)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(jié)件的相對密度為84%，抗拉強(qiáng)度為70MPa。而細(xì)小的球形鈦粉(粒度為25um)的激光燒結(jié)件，其相對密度達(dá)到93% ．抗拉強(qiáng)度是150MPa。
1．3 溫壓成形技術(shù)
    溫壓成形技術(shù)是近幾年新發(fā)展起來的一次壓制、一次燒結(jié)工藝，是制造高密度、高性能粉末冶金結(jié)構(gòu)零件的一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)可行的新技術(shù)。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(jìn)行壓制，最后采用傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝進(jìn)行燒結(jié)，是普通模壓技術(shù)的發(fā)展與延伸，被國際粉末冶金界譽(yù)為“開創(chuàng)鐵基粉末冶金零部件應(yīng)用新紀(jì)元”和“導(dǎo)致粉末冶金技術(shù)革命”的新成形技術(shù)。
    最近德國Fraunhofer研究所在溫壓成形技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)了一種被稱為流動溫壓工藝的粉末冶金新技術(shù)一。該技術(shù)以溫壓工藝為基礎(chǔ)，結(jié)合金屬注射成形的優(yōu)點(diǎn)，通過加入適量的微細(xì)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(shù)原則上可適合所有具有足夠好的燒結(jié)性能的粉末體系。其主要特點(diǎn)是可成形幾何形狀復(fù)雜的零部件；產(chǎn)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(xì)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(jié)2h后，用密度儀測得不同部位(在零件幾何草圖上用1～6標(biāo)出)的密度(理論密度為4．5g／cm。)，得知，采用流動溫壓成形技術(shù)可以獲得很高的密度。微細(xì)粉末的加入可以使裝粉更均勻，并且具有較好的燒結(jié)性能，燒結(jié)后樣品密度分布也較好，如距離零件中心軸采用常規(guī)粉末壓制法，該處往往密度偏低。用傳統(tǒng)模壓工藝在壓機(jī)上成形零件時(shí)，一般說來，其各個(gè)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(nèi)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(shù)后，由于在壓制時(shí)，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(jié)語
    鈦合金的高成本限制了其更廣泛的推廣和應(yīng)用，綜合上述幾種粉末冶金新技術(shù)，粉末冶金技術(shù)在制備鈦合金方面具有材料利用率高、能耗低、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，從而降低了成本，且是生產(chǎn)某些形狀復(fù)雜零件的唯一方法。同時(shí)高質(zhì)量、低成本鈦粉末的利用使鈦粉末冶金產(chǎn)品獲得了較好的發(fā)展，諸如鈦?zhàn)⑸涑尚?、激光成形等粉末冶金產(chǎn)品已在民用工業(yè)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(shù)將會更加廣泛地推動鈦粉末冶金工業(yè)的發(fā)展。

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