鈦是繼鋼鐵、鋁材之后的重要戰略金屬材料，具有密度小、比強度高、耐熱性強、耐腐蝕性好、良好的生物相容性等一系列優異性能，被譽為“第三金屬”，“太空金屬”，“海洋金屬”，在航空航天、武器裝備、汽車艦船、石油化工等領域起到關鍵作用[1-2]。中國鈦資源一直居世界首位，占世界已開采儲量的64%左右[3]，2018 年我國全年海綿鈦產量超過7.4 萬t，較2017 年增長2.8%，鈦加工材產量超過6.3 萬t，較2017 年增長14.4%[4]，鈦加工材需求量正在快速增加。隨著國產大飛機C919 的問世，武器裝備輕量化需求的提出，以及建設海洋強國戰略的開展，鈦合金的發(fa)展(zhan)已經成為影響國家戰(zhan)略發(fa)展(zhan)的重要一環。而鈦合金(jin)的粉(fen)末(mo)(mo)冶(ye)金(jin)制備技術(shu)作為鈦合金(jin)制備工(gong)藝中(zhong)最具潛力的方(fang)法，值得我們(men)重點(dian)關注[5-9]。本(ben)文(wen)介紹了(le)粉(fen)末(mo)(mo)冶(ye)金(jin)鈦合金(jin)與傳(chuan)統熔(rong)鑄法的特點(dian)及優(you)缺點(dian)，及粉(fen)末(mo)(mo)冶(ye)金(jin)鈦合金(jin)的主要生產工(gong)藝，并且提出了(le)未來粉(fen)末(mo)(mo)冶(ye)金(jin)鈦合金(jin)的發(fa)展(zhan)方(fang)向，為粉(fen)末(mo)(mo)冶(ye)金(jin)鈦合金(jin)的發(fa)展(zhan)提供新的思路。

1、粉末冶金鈦合金特點

目前(qian)鈦(tai)材(cai)的生產工(gong)藝以傳統熔(rong)鑄法(fa)(fa)和粉末(mo)冶金法(fa)(fa)為主(zhu)。在(zai)(zai)(zai)傳統熔(rong)鑄法(fa)(fa)生產過程中，由于鈦(tai)化學性質活潑，在(zai)(zai)(zai)熔(rong)融狀態下易(yi)與常見(jian)的耐火(huo)(huo)材(cai)料發生反(fan)應，如表1 所示(shi)，在(zai)(zai)(zai)鈦(tai)的熔(rong)點附近無(wu)法(fa)(fa)找的適合的耐火(huo)(huo)材(cai)料，因此必須采用無(wu)坩堝或(huo)水冷(leng)銅坩堝熔(rong)煉(lian)(lian)，同時由于鈦(tai)會(hui)吸收空氣(qi)中的氧氮(dan)雜質，所以熔(rong)煉(lian)(lian)必須在(zai)(zai)(zai)高真(zhen)空或(huo)高純惰性氣(qi)氛條件下進行(xing)。目前(qian)比較成熟的熔(rong)煉(lian)(lian)工(gong)藝是真(zhen)空電(dian)弧熔(rong)煉(lian)(lian)或(huo)冷(leng)床爐熔(rong)煉(lian)(lian)。

真空電(dian)(dian)弧(hu)爐熔煉鈦(tai)合(he)金需(xu)要將(jiang)海綿鈦(tai)和合(he)金材料焊接(jie)后作為電(dian)(dian)極(ji)，水冷(leng)銅坩堝作為另一(yi)電(dian)(dian)極(ji)，在(zai)兩電(dian)(dian)極(ji)間引弧(hu)，電(dian)(dian)極(ji)前端受電(dian)(dian)弧(hu)高(gao)(gao)溫熔化滴(di)入水冷(leng)銅坩堝，冷(leng)凝成為鈦(tai)錠。此(ci)工藝(yi)需(xu)要預制(zhi)電(dian)(dian)極(ji)，還需(xu)要至少兩次以上的(de)熔煉才能得(de)到成分均勻的(de)合(he)金，同時還會(hui)存在(zai)低密度(du)(du)夾雜和高(gao)(gao)密度(du)(du)夾雜[10]。

冷床爐熔(rong)(rong)煉鈦合金是利用(yong)高能電(dian)子束槍(qiang)(qiang)或(huo)等(deng)離(li)子槍(qiang)(qiang)的(de)能量使原料熔(rong)(rong)化，然后(hou)流(liu)入(ru)精煉區(qu)，在(zai)精煉區(qu)的(de)液態金屬經過(guo)高溫熔(rong)(rong)解、沉淀捕捉(zhuo)等(deng)機制(zhi)去(qu)除雜質和夾雜，最后(hou)經過(guo)凈化的(de)熔(rong)(rong)液流(liu)入(ru)坩(gan)堝(guo)(guo)，并在(zai)坩(gan)堝(guo)(guo)底部逐(zhu)漸凝(ning)固被拉出。利用(yong)該技術可以(yi)大大減少熔(rong)(rong)煉過(guo)程中(zhong)的(de)夾雜，但(dan)設(she)備(bei)投入(ru)成(cheng)本高，工藝(yi)能耗高，設(she)備(bei)一般依(yi)賴(lai)進口，且熔(rong)(rong)煉過(guo)程中(zhong)低熔(rong)(rong)點合金成(cheng)分損失較多(duo)，易造成(cheng)成(cheng)分損失[11]。

粉(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)冶(ye)金(jin)(jin)制(zhi)備工(gong)藝(yi)是以金(jin)(jin)屬(shu)粉(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)作為原料(liao)，經(jing)過(guo)成(cheng)形和(he)燒(shao)結(jie)，在(zai)低(di)于熔點的(de)溫度下得(de)(de)到最終產(chan)(chan)(chan)品，可(ke)以實現近凈成(cheng)形，減(jian)少了傳統(tong)工(gong)藝(yi)伴隨的(de)加工(gong)成(cheng)本。最早在(zai)19 世紀40 年代，William J. Kroll 就曾嘗試利用海綿鈦(tai)細顆粒(li)進(jin)行冷(leng)壓(ya)(ya)燒(shao)結(jie)制(zhi)備致密鈦(tai)金(jin)(jin)屬(shu)材(cai)料(liao)，但受制(zhi)于粉(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)顆粒(li)較高的(de)殘余MgCl2等(deng)(deng)雜質而停滯(zhi)。80 年代起，隨著氫化(hua)(hua)(hua)脫(tuo)氫法(fa)(fa)(fa)、氣霧化(hua)(hua)(hua)法(fa)(fa)(fa)和(he)旋(xuan)轉電極霧化(hua)(hua)(hua)法(fa)(fa)(fa)等(deng)(deng)各(ge)種(zhong)制(zhi)粉(fen)(fen)(fen)(fen)工(gong)藝(yi)的(de)相繼出現，粉(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)冶(ye)金(jin)(jin)技術進(jin)入(ru)(ru)快速(su)發(fa)展(zhan)(zhan)階段，根據所用粉(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)的(de)不同可(ke)以分為預合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)（PA）法(fa)(fa)(fa)和(he)混合(he)(he)(he)(he)元素（BE）法(fa)(fa)(fa)。預合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)法(fa)(fa)(fa)一般利用氣霧化(hua)(hua)(hua)法(fa)(fa)(fa)或(huo)旋(xuan)轉電極霧化(hua)(hua)(hua)法(fa)(fa)(fa)得(de)(de)到預合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)粉(fen)(fen)(fen)(fen)，經(jing)熱等(deng)(deng)靜壓(ya)(ya)、注射成(cheng)形、增(zeng)材(cai)制(zhi)造等(deng)(deng)方法(fa)(fa)(fa)得(de)(de)到近終成(cheng)形產(chan)(chan)(chan)品。混合(he)(he)(he)(he)元素法(fa)(fa)(fa)一般采(cai)用氫化(hua)(hua)(hua)脫(tuo)氫或(huo)還原法(fa)(fa)(fa)得(de)(de)到純鈦(tai)粉(fen)(fen)(fen)(fen)，與(yu)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)粉(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)混合(he)(he)(he)(he)后，經(jing)模壓(ya)(ya)或(huo)冷(leng) 等(deng)(deng)靜壓(ya)(ya)成(cheng)形，真(zhen)空(kong)燒(shao)結(jie)得(de)(de)到最終產(chan)(chan)(chan)品。2010 年起ADMA Products 和(he)Dynamet Technology 兩大公(gong)司(si)大力發(fa)展(zhan)(zhan)混合(he)(he)(he)(he)元素工(gong)藝(yi)，用以制(zhi)備低(di)成(cheng)本、高性能鈦(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)產(chan)(chan)(chan)品。2013 年美(mei)國Dynamet 公(gong)司(si)利用粉(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)冶(ye)金(jin)(jin)工(gong)藝(yi)（冷(leng)等(deng)(deng)靜壓(ya)(ya)成(cheng)形-真(zhen)空(kong)燒(shao)結(jie)-熱等(deng)(deng)靜壓(ya)(ya)）生產(chan)(chan)(chan)鈦(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)，達到波音公(gong)司(si)的(de)要求，榮獲2013 年國際鈦(tai)協會(hui)應用開發(fa)大獎[12]，標志著粉(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)冶(ye)金(jin)(jin)鈦(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)進(jin)入(ru)(ru)新一輪快速(su)發(fa)展(zhan)(zhan)階段，兩種(zhong)工(gong)藝(yi)與(yu)傳統(tong)熔鑄法(fa)(fa)(fa)的(de)對比(bi)如表(biao)2所示。

由表2 可知，粉末冶金法在制備成本、成分均勻性和近凈成形上具有較大優勢，利用粉末冶金方法生產鈦合金，由于燒(shao)結溫度(du)較低，鈦(tai)合(he)金不會(hui)與坩堝材料反應(ying)，而且成分均勻(yun)無偏析，避免了(le)熔煉過程中的(de)各(ge)種問題，還可以實(shi)現細晶(jing)組(zu)織的(de)制(zhi)備(bei)，已(yi)被視(shi)為最有潛力的(de)鈦(tai)合(he)金制(zhi)備(bei)方法(fa)，引起了(le)各(ge)國學者(zhe)的(de)廣泛關注[13-14]。

2、粉末冶金鈦合金制備技術

2.1 鈦粉制(zhi)備工藝

鈦(tai)粉的常(chang)規制備(bei)方法(fa)(fa)主(zhu)要有氫(qing)(qing)化(hua)(hua)脫(tuo)氫(qing)(qing)法(fa)(fa)、還原法(fa)(fa)、氬氣霧化(hua)(hua)法(fa)(fa)、旋(xuan)轉(zhuan)電(dian)極(ji)霧化(hua)(hua)法(fa)(fa)和(he)射頻等離子體球(qiu)(qiu)化(hua)(hua)法(fa)(fa)等，其中氫(qing)(qing)化(hua)(hua)脫(tuo)氫(qing)(qing)法(fa)(fa)和(he)還原法(fa)(fa)主(zhu)要用于制備(bei)非球(qiu)(qiu)形鈦(tai)粉，氬氣霧化(hua)(hua)法(fa)(fa)、旋(xuan)轉(zhuan)電(dian)極(ji)霧化(hua)(hua)法(fa)(fa)和(he)射頻等離子體球(qiu)(qiu)化(hua)(hua)法(fa)(fa)主(zhu)要用于制備(bei)球(qiu)(qiu)形鈦(tai)粉。不同(tong)方法(fa)(fa)的對比如(ru)表3所示。

氫(qing)化(hua)脫氫(qing)法是目前最(zui)成熟(shu)的(de)鈦粉制(zhi)備(bei)工藝，利用鈦和氫(qing)的(de)可逆反應制(zhi)備(bei)鈦粉，一般以海綿(mian)鈦或殘鈦為原料，經氫(qing)化(hua)、破碎、脫氫(qing)，得到純鈦粉。由于(yu)對設(she)備(bei)要求(qiu)較低，十分適合工業化(hua)生(sheng)產。日本(ben)東邦鈦公司通過改進(jin)的(de)氫(qing)化(hua)脫氫(qing)工藝進(jin)行鈦粉的(de)工業化(hua)生(sheng)產，建立了年(nian)產30 t 的(de)生(sheng)產線，制(zhi)備(bei)的(de)鈦粉粒度(du)小于(yu)150 μm，氧含量低于(yu)0.15%（質(zhi)量分數(shu)，下同）。

美國ADMA Products 公司(si)以殘鈦(tai)(tai)為原料，利(li)(li)用(yong)氫(qing)(qing)化(hua)脫(tuo)(tuo)氫(qing)(qing)工(gong)藝大(da)(da)幅(fu)度降低了(le)(le)鈦(tai)(tai)粉(fen)(fen)的(de)生產(chan)成本[15]。中南(nan)大(da)(da)學的(de)何薇等[16]利(li)(li)用(yong)NaCl 作為阻止劑(ji)，在氫(qing)(qing)化(hua)脫(tuo)(tuo)氫(qing)(qing)過(guo)(guo)程中對(dui)氫(qing)(qing)化(hua)粉(fen)(fen)末(mo)(mo)進行包覆，阻止鈦(tai)(tai)粉(fen)(fen)脫(tuo)(tuo)氫(qing)(qing)加熱過(guo)(guo)程中粉(fen)(fen)末(mo)(mo)顆粒的(de)長大(da)(da)，得到了(le)(le)中位粒徑6.16μm的(de)微細鈦(tai)(tai)粉(fen)(fen)，但阻止劑(ji)的(de)引(yin)入(ru)造成了(le)(le)鈦(tai)(tai)粉(fen)(fen)氧含(han)量(liang)的(de)增(zeng)(zeng)加。翁啟剛等[17]以電解(jie)鈦(tai)(tai)為原料，利(li)(li)用(yong)氫(qing)(qing)化(hua)-球磨破碎-脫(tuo)(tuo)氫(qing)(qing)工(gong)藝，制備了(le)(le)中位徑11.04 μm的(de)微細鈦(tai)(tai)粉(fen)(fen)，并對(dui)制備過(guo)(guo)程中氧含(han)量(liang)增(zeng)(zeng)加情況進行了(le)(le)分析(xi)。

還原(yuan)(yuan)法是利用其它(ta)活潑金屬(shu)對鈦(tai)的(de)(de)(de)化(hua)合物進行(xing)還原(yuan)(yuan)制(zhi)備鈦(tai)粉(fen)，最常見的(de)(de)(de)是Armstrong 鈉(na)還原(yuan)(yuan)法制(zhi)備鈦(tai)粉(fen)。Armstrong 鈉(na)還原(yuan)(yuan)法是將TiCl4氣體注入過量(liang)的(de)(de)(de)熔融鈉(na)中，反應后去除過量(liang)的(de)(de)(de)鈉(na)和(he)鹽，得(de)到(dao)鈦(tai)粉(fen)。該(gai)方法可(ke)制(zhi)備氧(yang)含(han)量(liang)為(wei)0.2%的(de)(de)(de)鈦(tai)粉(fen)，目前在(zai)日本有一定量(liang)的(de)(de)(de)生產應用，但技術仍不夠成熟(shu)，設備及(ji)生產工藝(yi)需要優化(hua)[18]。最近(jin)Hong 等[19]利用鈣 蒸氣對鈦(tai)粉(fen)表面的(de)(de)(de)氧(yang)化(hua)膜進行(xing)還原(yuan)(yuan)，在(zai)1 000 ℃反應后利用鹽酸分離(li)氧(yang)化(hua)鈣和(he)鈦(tai)粉(fen)，鈦(tai)粉(fen)氧(yang)含(han)量(liang)降低了(le)61.7%，達到(dao)805 ppm，開拓了(le)低氧(yang)鈦(tai)粉(fen)制(zhi)備的(de)(de)(de)新思路。

氬(ya)氣霧(wu)化(hua)法(fa)是借助高(gao)速氬(ya)氣氣流(liu)沖擊金屬(shu)液(ye)流(liu)，使(shi)其破碎成細小的(de)顆粒，經冷卻得到(dao)金屬(shu)粉末的(de)方(fang)(fang)法(fa)。該方(fang)(fang)法(fa)制(zhi)備(bei)鈦(tai)粉最早(zao)由(you)美(mei)國的(de)Crucible researchcenter 開發并申請了(le)相關專利，隨后建立了(le)年產(chan)11t的(de)生(sheng)產(chan)線[20]。日本的(de)Osaka Titanium[21]利用(yong)(yong)感應(ying)熔煉氣霧(wu)化(hua)法(fa)生(sheng)產(chan)的(de)TILOP級Ti6Al4V粉末球(qiu)體(ti)形狀(zhuang)和純度相對(dui)較高(gao)，被認為(wei)適用(yong)(yong)于(yu)增材制(zhi)造領 域。陸(lu)亮(liang)(liang)亮(liang)(liang)等[22]以鈦(tai)絲(si)為(wei)原料，利用(yong)(yong)高(gao)頻(pin)感應(ying)加(jia)熱設備(bei)在氬(ya)氣環境下(xia)對(dui)鈦(tai)絲(si)進行加(jia)熱，經氬(ya)氣霧(wu)化(hua)后得到(dao)平均粒徑為(wei)41.8 μm的(de)球(qiu)形鈦(tai)粉，粉末球(qiu)形度高(gao)，衛星球(qiu)少，性(xing)能滿足增材制(zhi)造用(yong)(yong)粉要求。

等(deng)離子旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)電(dian)極(ji)霧(wu)化(hua)(hua)（PREP）法屬于(yu)離心(xin)霧(wu)化(hua)(hua)的(de)一(yi)種(zhong)，利用高速旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)的(de)離心(xin)力將(jiang)金(jin)屬電(dian)極(ji)端面的(de)熔融液滴甩(shuai)出，經冷凝得到細小(xiao)液滴。該方法球(qiu)(qiu)形(xing)度(du)好，基本無空心(xin)球(qiu)(qiu)等(deng)缺陷，但(dan)受(shou)限于(yu)電(dian)極(ji)的(de)轉(zhuan)(zhuan)速和(he)鈦液黏度(du)，粉(fen)(fen)末整體(ti)粒度(du)偏粗，約為100 μm。英國LPW公(gong)司、湖南頂立(li)科技(ji)等(deng)公(gong)司已(yi)經在(zai)(zai)該領域開展了多年的(de)研究并(bing)實現(xian)(xian)了規模化(hua)(hua)生(sheng)(sheng)產。湖南頂立(li)科技(ji)有限公(gong)司[23]在(zai)(zai)現(xian)(xian)有的(de)技(ji)術(shu)(shu)基礎上，研究連續(xu)進給料、密(mi)封、自動起弧與信息反饋、智能控制(zhi)等(deng)裝備技(ji)術(shu)(shu)和(he)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)霧(wu)化(hua)(hua)制(zhi)粉(fen)(fen)工(gong)藝(yi)，開發(fa)了最(zui)新一(yi)代等(deng)離子旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)電(dian)極(ji)霧(wu)化(hua)(hua)制(zhi)粉(fen)(fen)系統，得到球(qiu)(qiu)形(xing)鈦粉(fen)(fen)D50小(xiao)于(yu)等(deng)于(yu)45μm，單爐產量大于(yu)400 kg，細粉(fen)(fen)收得率大于(yu)15%，該技(ji)術(shu)(shu)可生(sheng)(sheng)產多種(zhong)鈦合(he)金(jin)及其(qi)他金(jin)屬球(qiu)(qiu)形(xing)粉(fen)(fen)末。

射(she)頻(pin)等(deng)離子(zi)體球(qiu)化法是將不規則形狀(zhuang)鈦(tai)粉送入射(she)頻(pin)等(deng)離子(zi)體中，利用等(deng)離子(zi)體的瞬時高溫，將鈦(tai)粉顆粒(li)熔(rong)融，在(zai)鈦(tai)液(ye)表面張力(li)作用下形成(cheng)球(qiu)形液(ye)滴，經冷卻后得到(dao)球(qiu)形鈦(tai)粉。由(you)于射(she)頻(pin)等(deng)離子(zi)體溫度遠(yuan)超材料(liao)熔(rong)點(dian)，該工(gong)藝(yi)特別適合難(nan)熔(rong)金屬球(qiu)形粉末的生產(chan)，得到(dao)粉末球(qiu)形度高，無空心粉，但(dan)成(cheng)品受限于原料(liao)粉末粒(li)度，且細粉送料(liao)存(cun)在(zai)一定(ding)困難(nan)。

古忠濤等(deng)[24]利用射(she)頻等(deng)離子體球(qiu)(qiu)(qiu)化(hua)(hua)(hua)工藝處(chu)理不規則的鈦粉，經(jing)過球(qiu)(qiu)(qiu)化(hua)(hua)(hua)處(chu)理后，粉末(mo)粒(li)徑分(fen)布變窄，同時雜質含量(liang)降(jiang)低。盛(sheng)艷(yan)偉(wei)等(deng)[25]為解(jie)決(jue)球(qiu)(qiu)(qiu)化(hua)(hua)(hua)過程(cheng)中送(song)粉難的問題，以粗顆粒(li)氫(qing)(qing)化(hua)(hua)(hua)鈦粉末(mo)為原(yuan)料，將射(she)頻等(deng)離子體球(qiu)(qiu)(qiu)化(hua)(hua)(hua)處(chu)理技(ji)術與氫(qing)(qing)化(hua)(hua)(hua)脫(tuo)(tuo)氫(qing)(qing)技(ji)術相結合，使氫(qing)(qing)化(hua)(hua)(hua)鈦粉末(mo)在球(qiu)(qiu)(qiu)化(hua)(hua)(hua)的同時進行脫(tuo)(tuo)氫(qing)(qing)分(fen)解(jie)，該工藝可實現20～50 μm球(qiu)(qiu)(qiu)形鈦粉的制備，球(qiu)(qiu)(qiu)化(hua)(hua)(hua)率可達(da)到100%。

2.2 鈦粉成形(xing)與致密化工藝

近年來鈦粉(fen)的(de)成形與致密化工(gong)藝(yi)更加豐(feng)富(fu)，不同工(gong)藝(yi)制備(bei)的(de)Ti6Al4V 制品性(xing)能如表(biao)4 所示[26- 31]。

可(ke)以看出不論(lun)是(shi)采用(yong)冷等靜壓＋真空燒結(jie)的(de)(de)(de)傳統(tong)工(gong)藝(yi)，還是(shi)熱等靜壓、增材(cai)制(zhi)造(zao)、注射成形等新工(gong)藝(yi)，均取得了(le)(le)不錯的(de)(de)(de)效果，可(ke)以實(shi)現粉(fen)(fen)末冶(ye)金(jin)(jin)鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)性能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)大(da)幅度(du)(du)(du)(du)提升美國Dynamet公(gong)司(si)利(li)(li)用(yong)冷等靜壓＋真空燒結(jie)工(gong)藝(yi)開發的(de)(de)(de)大(da)尺寸鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)構件(jian)得到(dao)了(le)(le)波音商用(yong)飛機公(gong)司(si)的(de)(de)(de)認(ren)可(ke)，該產品(pin)經鍛造(zao)后性能(neng)(neng)(neng)滿足了(le)(le)航空材(cai)料的(de)(de)(de)使用(yong)需(xu)求。圖1為Dynamet公(gong)司(si)利(li)(li)用(yong)該工(gong)藝(yi)開發的(de)(de)(de)一(yi)系(xi)列(lie)鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)產品(pin)。Kumar等[32]利(li)(li)用(yong)冷等靜壓和(he)(he)在β轉變溫度(du)(du)(du)(du)下的(de)(de)(de)低溫燒結(jie)加速自擴散，獲得了(le)(le)高(gao)密度(du)(du)(du)(du)（約98%）的(de)(de)(de)高(gao)疲勞性能(neng)(neng)(neng)鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)，改善(shan)了(le)(le)粉(fen)(fen)末冶(ye)金(jin)(jin)鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)疲勞性能(neng)(neng)(neng)差的(de)(de)(de)缺點。烏(wu)克蘭的(de)(de)(de)Ivasishin等用(yong)氫化鈦(tai)粉(fen)(fen)代(dai)替普通鈦(tai)粉(fen)(fen)，經冷壓成形和(he)(he)真空燒結(jie)等工(gong)藝(yi)后，制(zhi)備的(de)(de)(de)粉(fen)(fen)末冶(ye)金(jin)(jin)產品(pin)的(de)(de)(de)密度(du)(du)(du)(du)達到(dao)了(le)(le)理論(lun)密度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)97%[33]。北京(jing)科(ke)技(ji)大(da)學的(de)(de)(de)ZHANG等[26]利(li)(li)用(yong)平(ping)均粒度(du)(du)(du)(du)10 μm的(de)(de)(de)氫化鈦(tai)粉(fen)(fen)，經真空無壓燒結(jie)得到(dao)致密度(du)(du)(du)(du)99.5%的(de)(de)(de)Ti6Al4V，抗拉強度(du)(du)(du)(du)935 MPa，屈服強度(du)(du)(du)(du)865 MPa，伸長率達到(dao)15.8%，性能(neng)(neng)(neng)達到(dao)鍛件(jian)水平(ping)。

熱(re)等(deng)靜(jing)壓(ya)一(yi)直以來(lai)都是粉(fen)(fen)末(mo)(mo)冶金鈦(tai)合(he)(he)金致(zhi)(zhi)密化的(de)(de)(de)(de)(de)(de)重要手段，隨著(zhu)需求的(de)(de)(de)(de)(de)(de)不斷增加，熱(re)等(deng)靜(jing)壓(ya)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)復(fu)雜(za)程度(du)(du)逐(zhu)漸提高，零(ling)部(bu)(bu)件(jian)尺寸也逐(zhu)漸增大。成立于2000 年的(de)(de)(de)(de)(de)(de)Synertech PM公(gong)司一(yi)直致(zhi)(zhi)力于熱(re)等(deng)靜(jing)壓(ya)鈦(tai)合(he)(he)金火箭引(yin)擎、氣(qi)(qi)體壓(ya)縮機(ji)、噴氣(qi)(qi)發(fa)動(dong)機(ji)及機(ji)身零(ling)部(bu)(bu)件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)制(zhi)備，通過(guo)對(dui)(dui)粉(fen)(fen)末(mo)(mo)在復(fu)雜(za)形(xing)狀HIP 包套中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)固結和收縮模型(xing)進(jin)行(xing)分(fen)(fen)析(xi)，應用先進(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)粉(fen)(fen)末(mo)(mo)充填與脫氣(qi)(qi)技術，從而實現對(dui)(dui)材料形(xing)狀、性(xing)能和表面質量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)高度(du)(du)控(kong)制(zhi)。圖(tu)2 為該公(gong)司開發(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)動(dong)機(ji)大型(xing)框架(jia)部(bu)(bu)件(jian)。趙冰[34]等(deng)針(zhen)對(dui)(dui)鈦(tai)合(he)(he)金復(fu)雜(za)空心結構難以成形(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)問題，利(li)(li)用熱(re)等(deng)靜(jing)壓(ya)工藝，通過(guo)對(dui)(dui)結構的(de)(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)解、加工與組合(he)(he)，在800～900 ℃ 、100～200 MPa、1～3 h 條(tiao)件(jian)下，實現了鈦(tai)合(he)(he)金矩形(xing)、錐形(xing)和桶形(xing)空心結構件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)制(zhi)備。郎利(li)(li)輝(hui)等(deng)[35]利(li)(li)用有限元軟(ruan)件(jian)對(dui)(dui)鈦(tai)合(he)(he)金粉(fen)(fen)末(mo)(mo)熱(re)等(deng)靜(jing)壓(ya)過(guo)程中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變形(xing)和致(zhi)(zhi)密化規(gui)律進(jin)行(xing)了研究，得(de)到(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)粉(fen)(fen)末(mo)(mo)冶金Ti6Al4V材料抗拉(la)強度(du)(du)為971 MPa，屈服強度(du)(du)為920 MPa，伸長率為15.5%，性(xing)能達到(dao)鍛件(jian)水(shui)平。

粉末(mo)冶(ye)金注射(she)(she)成(cheng)(cheng)形(xing)(xing)(xing)是粉末(mo)冶(ye)金技術(shu)和塑料注射(she)(she)成(cheng)(cheng)形(xing)(xing)(xing)技術(shu)相結(jie)合(he)的(de)(de)(de)零(ling)部件(jian)快速(su)制造工藝(yi)(yi)。將粉末(mo)與有(you)機(ji)粘結(jie)劑(ji)均勻混合(he)，經(jing)制粒(li)后，在(zai)加熱狀(zhuang)態下用注射(she)(she)成(cheng)(cheng)形(xing)(xing)(xing)機(ji)成(cheng)(cheng)形(xing)(xing)(xing)出所(suo)需零(ling)件(jian)形(xing)(xing)(xing)狀(zhuang)，經(jing)物理或化學方法(fa)脫除粘結(jie)劑(ji)后，經(jing)高(gao)溫燒(shao)(shao)結(jie)致密(mi)化而獲得(de)所(suo)需的(de)(de)(de)零(ling)件(jian)。該方法(fa)能(neng)便(bian)捷的(de)(de)(de)生(sheng)產(chan)(chan)形(xing)(xing)(xing)狀(zhuang)復雜、批(pi)量大(da)、小且細(xi)致、難以加工，外(wai)觀(guan)重要、性(xing)能(neng)優越的(de)(de)(de)零(ling)件(jian)[36]。但(dan)對于鈦(tai)合(he)金，有(you)機(ji)粘接劑(ji)的(de)(de)(de)脫出存在(zai)一(yi)定困難，殘(can)留的(de)(de)(de)碳氧雜質會(hui)大(da)幅(fu)度(du)降低(di)(di)材料的(de)(de)(de)塑性(xing)，該問(wen)題成(cheng)(cheng)為注射(she)(she)成(cheng)(cheng)形(xing)(xing)(xing)鈦(tai)合(he)金研發(fa)的(de)(de)(de)重點。2000 年，最大(da)的(de)(de)(de)鈦(tai)注射(she)(she)成(cheng)(cheng)形(xing)(xing)(xing)生(sheng)產(chan)(chan)商Injex 公司，每(mei)月可生(sheng)產(chan)(chan)2～3 t 注射(she)(she)成(cheng)(cheng)形(xing)(xing)(xing)件(jian)，大(da)多數為低(di)(di)應力件(jian)，如(ru)高(gao)爾夫球頭、汽車(che)變速(su)桿、手術(shu)器械、玩具(ju)、表殼、表帶和表扣等(deng)(deng)[37]。圖3 為注射(she)(she)成(cheng)(cheng)形(xing)(xing)(xing)制備的(de)(de)(de)鈦(tai)合(he)金零(ling)部件(jian)。名(ming)古 屋(wu)國家工業學院[38]還將金屬(shu)注射(she)(she)成(cheng)(cheng)形(xing)(xing)(xing)技術(shu)用于Ti6Al4V合(he)金粉末(mo)的(de)(de)(de)注射(she)(she)成(cheng)(cheng)形(xing)(xing)(xing)，研究了(le)不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)注射(she)(she)成(cheng)(cheng)形(xing)(xing)(xing)參數對成(cheng)(cheng)形(xing)(xing)(xing)部件(jian)微觀(guan)結(jie)構和機(ji)械性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)影響(xiang)，在(zai)1 000 ℃燒(shao)(shao)結(jie)，可得(de)到相對密(mi)度(du)大(da)于96％，抗拉強度(du)為950 MPa的(de)(de)(de)Ti6Al4V合(he)金。廣(guang)州有(you)色金屬(shu)研究院的(de)(de)(de)蔡一(yi)湘等(deng)(deng)[39]通過(guo)不(bu)同(tong)種類鈦(tai)粉的(de)(de)(de)組合(he)，調整體系的(de)(de)(de)粉末(mo)形(xing)(xing)(xing)狀(zhuang)和粒(li)度(du)組成(cheng)(cheng)，降低(di)(di)初始氧含量，改善了(le)注射(she)(she)、脫粘和燒(shao)(shao)結(jie)過(guo)程的(de)(de)(de)工藝(yi)(yi)特性(xing)。

增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)是基于離散-堆積(ji)原理，以(yi)零部(bu)件(jian)的(de)(de)數字模型(xing)為基礎，由金屬粉末直接制(zhi)造(zao)零部(bu)件(jian)的(de)(de)快速(su)成形(xing)制(zhi)造(zao)工藝，特別適(shi)合(he)鈦合(he)金等(deng)(deng)難加工材(cai)料(liao)的(de)(de)近凈成形(xing)。北京航空(kong)航天大(da)學的(de)(de)王(wang)華明等(deng)(deng)[40]基于金屬構(gou)件(jian)激(ji)光增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)過程凝固晶粒形(xing)態主(zhu)動(dong)控制(zhi)理論，實現(xian)了(le)先進航空(kong)發動(dong)機鈦合(he)金整體(ti)葉盤(pan)等(deng)(deng)大(da)型(xing)主(zhu)承(cheng)力構(gou)件(jian)的(de)(de)激(ji)光增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)，如圖4 所示，通過熱處理使(shi)制(zhi)品疲勞裂紋擴展門(men)檻(jian)值提(ti)高至21 MPa·m0.5，疲勞裂紋擴展速(su)率(lv)降(jiang)低(di)了(le)一(yi)個(ge)數量級(ji)以(yi)上。華南(nan)理工大(da)學的(de)(de)楊永(yong)強等(deng)(deng)[41]利用激(ji)光選區熔化(hua)設備(bei)制(zhi)備(bei)了(le)Ti6Al4V骨(gu)(gu)盆骨(gu)(gu)折接骨(gu)(gu)板和個(ge)性(xing)(xing)化(hua)顱骨(gu)(gu)修復體(ti)，微觀組織和性(xing)(xing)能良好，經(jing)熱處理抗拉強度可(ke)達(da)1 005 MPa，伸長率(lv)達(da)到12.0%。

3、發展方向

粉末冶(ye)金工藝在(zai)制備(bei)鈦合(he)金領(ling)域具(ju)有先天的(de)優勢，在(zai)制備(bei)工藝優化的(de)方面有較大的(de)發展(zhan)空間，未來粉末冶(ye)金的(de)主(zhu)要發展(zhan)方向有以下幾(ji)點(dian)。

3.1 低間隙微(wei)細(xi)鈦粉的(de)制備

鈦(tai)(tai)(tai)粉是(shi)粉末(mo)冶(ye)金(jin)鈦(tai)(tai)(tai)合(he)金(jin)的(de)原(yuan)料，也是(shi)影響粉末(mo)冶(ye)金(jin)鈦(tai)(tai)(tai)合(he)金(jin)品質的(de)重(zhong)要(yao)因素。通過(guo)(guo)(guo)降低鈦(tai)(tai)(tai)粉粒度(du)，可以得到細(xi)晶組織，從而(er)提(ti)高制(zhi)(zhi)品性能。目前(qian)常規粉末(mo)冶(ye)金(jin)鈦(tai)(tai)(tai)制(zhi)(zhi)品性能差的(de)主要(yao)原(yuan)因是(shi)雜質含量偏高，由于鈦(tai)(tai)(tai)粉在制(zhi)(zhi)備(bei)(bei)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中極易(yi)與(yu)空氣反應，造(zao)成氧(yang)氮含量偏高，當氧(yang)含量超過(guo)(guo)(guo)3000ppm 后鈦(tai)(tai)(tai)的(de)塑性急劇下降，無法作為常規材料進(jin)(jin)行(xing)后續的(de)加工，因此必須在制(zhi)(zhi)粉過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中對間隙元素的(de)含量進(jin)(jin)行(xing)嚴格(ge)控制(zhi)(zhi)，保證原(yuan)料氧(yang)含量不超過(guo)(guo)(guo)1000ppm，這樣的(de)鈦(tai)(tai)(tai)粉經成形和燒結后成品的(de)性能才能夠(gou)滿足(zu)使用需(xu)求。因此低間隙微細(xi)鈦(tai)(tai)(tai)粉制(zhi)(zhi)備(bei)(bei)工藝的(de)開發是(shi)未來粉末(mo)冶(ye)金(jin)鈦(tai)(tai)(tai)合(he)金(jin)發展的(de)重(zhong)點(dian)之一(yi)。

3.2 大尺寸粉末冶金制品的制備

鈦合金(jin)(jin)作為一種重(zhong)要的(de)結構材料，市場普遍需(xu)求為鈦板、鈦棒、鈦管(guan)等(deng)，因(yin)(yin)(yin)此將粉末冶金(jin)(jin)技(ji)術(shu)升(sheng)級為一種鈦合金(jin)(jin)制備(bei)工藝勢在(zai)必(bi)行。利(li)用粉末冶金(jin)(jin)技(ji)術(shu)成(cheng)形(xing)得到的(de)板坯或管(guan)坯因(yin)(yin)(yin)具有細晶組織，性(xing)能(neng)優于傳統(tong)鑄件，經過鍛(duan)造加工后性(xing)能(neng)可以(yi)(yi)超過傳統(tong)熔(rong)鑄法(fa)材料。因(yin)(yin)(yin)此大(da)(da)尺寸(cun)(cun)粉末冶金(jin)(jin)制品(pin)的(de)制備(bei)是未來開(kai)發的(de)重(zhong)點之一，目前(qian)受限的(de)主要是大(da)(da)尺寸(cun)(cun)成(cheng)形(xing)和燒結技(ji)術(shu)。冷(leng)等(deng)靜壓技(ji)術(shu)利(li)用液體(ti)傳導壓力，可以(yi)(yi)實現較大(da)(da)尺寸(cun)(cun)壓坯的(de)成(cheng)形(xing)，在(zai)制備(bei)大(da)(da)尺寸(cun)(cun)粉末冶金(jin)(jin)制品(pin)中具有較大(da)(da)潛力，但(dan)成(cheng)形(xing)精度還需(xu)要進一步提(ti)高，可以(yi)(yi)作為未來開(kai)發的(de)重(zhong)點。

3.3 高(gao)性(xing)能鈦合金(jin)制備

由于粉(fen)(fen)(fen)末(mo)冶(ye)金(jin)制(zhi)品具有一定量的(de)孔隙(xi)，在孔隙(xi)處(chu)易產(chan)(chan)生裂紋(wen)源(yuan)，造成材料提(ti)前失(shi)效(xiao)，因(yin)此，消(xiao)除粉(fen)(fen)(fen)末(mo)冶(ye)金(jin)鈦合(he)(he)金(jin)中的(de)孔隙(xi)，提(ti)升粉(fen)(fen)(fen)末(mo)冶(ye)金(jin)鈦合(he)(he)金(jin)性能，是未來高性能粉(fen)(fen)(fen)末(mo)冶(ye)金(jin)鈦合(he)(he)金(jin)發展的(de)重要環節。將致(zhi)密度大于95%的(de)燒(shao)結坯進行(xing)一定變形量的(de)熱(re)加工(gong)，或(huo)者采用無包套熱(re)等(deng)靜(jing)壓技術均可以有效(xiao)消(xiao)除孔隙(xi)，得到全(quan)致(zhi)密的(de)鈦合(he)(he)金(jin)制(zhi)品，通過調(diao)整加工(gong)工(gong)藝(yi)，性能可優于常規鍛造產(chan)(chan)品。該技術的(de)發展有利于高性能鈦合(he)(he)金(jin)的(de)制(zhi)備與開發。

4、結語

粉末冶金工(gong)藝是短流(liu)程制備(bei)低成(cheng)本(ben)(ben)、高性能鈦及鈦合金的(de)(de)有效方法(fa)。它不(bu)通過(guo)熔化(hua)制備(bei)致(zhi)密(mi)鈦合金材料(liao)，大大降低了成(cheng)本(ben)(ben)；同時其近凈(jing)成(cheng)形的(de)(de)特點減少了制造(zao)最終產品所需的(de)(de)原材料(liao)及加工(gong)過(guo)程，解決(jue)了鑄錠冶金鈦合金材料(liao)利用率低及熱(re)加工(gong)困(kun)難的(de)(de)問(wen)題。

近年來粉末冶金鈦(tai)合(he)金的制粉、成形、燒(shao)結工藝都在不斷發展中，相(xiang)信(xin)隨著這些技術的不斷進步，我(wo)國(guo)粉末冶金鈦(tai)合(he)金產(chan)業將會繼續蓬勃(bo)發展。

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