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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、比強度高、屈強比高、良好的塑韌性、耐腐蝕性好等優(yōu)點，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。擴大鈦合金市場的瓶頸是鈦的提取、熔煉、機加工很難，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$／kg，而航空航天用鈦合金的生產(chǎn)成本更是高達 40$／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。用鍛造進行材料加工，其材料性能優(yōu)良，但浪費大，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，同時兼有它們的優(yōu)點。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，可大幅降低加工費用。據(jù)估計，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(yōu)勝獎，此表在水深200m仍能正常運轉(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(shù)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(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，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(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%，抗拉強度為70MPa。而細小的球形鈦粉(粒度為25um)的激光燒結(jié)件，其相對密度達到93% ．抗拉強度是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)零件的一項經(jīng)濟可行的新技術(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左右進行壓制，最后采用傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝進行燒結(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，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(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(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，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)濟效益高等優(yōu)點，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，諸如鈦注射成形、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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