鈦及鈦合金粉末制備及研究現(xiàn)狀

1、鈦和鈦合金的制備技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀摘要：鈦及鈦合金綜合力學(xué)性能優(yōu)良，在航空航天、航海、化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。用粉末冶金法制造零部件，材料利用率高，降低生產(chǎn)成本。因此，高性能粉末冶金鈦合金的研究與應(yīng)用近年來(lái)非?；钴S，對(duì)制備鈦及鈦合金粉末起到了很大的促進(jìn)作用。金屬注射成形( MIM) 技術(shù)是目前最具優(yōu)勢(shì)的粉末冶金成形技術(shù)之一，可制造高質(zhì)量、高精度的復(fù)雜零件。關(guān)鍵詞：鈦及鈦合金；粉末冶金；金屬注射成形；研究與應(yīng)用；1、前言：鈦及鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、高溫下抗蠕變性能好、焊接性能優(yōu)良、生物相容性?xún)?yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、航海、冶金、石油、化工、發(fā)電、汽車(chē)、醫(yī)藥、電子、體育及

2、休閑等領(lǐng)域。然而，由于鈦的提取、熔煉、加工十分困難，因此生產(chǎn)成本很高。鈦錠的生產(chǎn)成本約為同質(zhì)量鋼錠的30倍，鋁錠的6倍，而航空航天用的鈦合金零部件因加工費(fèi)昂貴，生產(chǎn)費(fèi)用就更大了。粉末冶金技術(shù)是一種由粉末直接成形，生產(chǎn)零部件的工藝方法。從技術(shù)上看，用該方法可獲得成分無(wú)偏析、性能穩(wěn)定優(yōu)越、組織均勻的零部件；從經(jīng)濟(jì)上看，該方法是一種少切屑或無(wú)切屑的工藝，材料利用率幾乎可以達(dá)到 100%，節(jié)省了加工費(fèi)，提高了生產(chǎn)率2、鈦及鈦合金粉末注射成形技術(shù)金屬注射成形方法是美國(guó)在20世紀(jì)70年代發(fā)明的，是生產(chǎn)形狀復(fù)雜高精度零部件的近凈形制造方法得到的燒結(jié)體密度高，強(qiáng)度也高。其工藝流程為：混合配料注射成形脫除粘結(jié)劑

3、( 簡(jiǎn)稱(chēng)脫脂)燒結(jié)。由于成形坯的受壓過(guò)程是均勻等壓壓制過(guò)程，所以成形坯的力學(xué)性能是各向同性的。我國(guó)鈦及鈦合金粉末注射成形研究始于 20 世紀(jì) 90 年代末。主要研究單位有北京科技大學(xué)、廣州有色金屬研究院和中南大學(xué)等，并在純鈦及Ti- 6Al-4V 合金注射成形方面取得了一定科研成果，但仍未形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。鈦及鈦合金粉末注射成形產(chǎn)品主要有汽車(chē)零部件、醫(yī)療器械、牙科植入體、高爾夫球頭和表殼等。目前，純鈦、Ti- 6Al- 4V、Ti A1、Ti- Mo- A1、Ni Ti 和其它一些鈦基材料粉末都已成功地采用了注射成形工藝來(lái)制造零部件。鈦及鈦合金注射成形技術(shù)的主要阻礙有：低氧球形鈦粉末的價(jià)格高；粘

4、結(jié)劑的選擇和去除工藝；間隙元素的去除等。3、鈦及鈦合金粉末注射成形工藝產(chǎn)品性能和尺寸精度是金屬注射成形最終控制的指標(biāo)。產(chǎn)品性能的好壞以及尺寸精度的高低與原料、混煉、注射、脫脂、燒結(jié)等工藝過(guò)程有著密切的關(guān)系。3.1 粉末的制備3.1.1 純鈦粉目前，注射成形用的純鈦粉的制造方法有:氫化脫氫法和氣體霧化。氫化脫氫粉的特點(diǎn)是粉末為形狀不規(guī)則的細(xì)粉，比表面積大，氧含量高。而氣體霧化粉的形狀為球形，與形狀不規(guī)則的氫化脫氫粉相比，其流動(dòng)性和充填性好，表面積小，制備過(guò)程的污染小，氧含量低，如果添加一定量的氫化脫氫粉可進(jìn)一步改善成形性，是鈦?zhàn)⑸涑尚沃饕脑戏勰?.1.2 鈦合金粉注射成形用的鈦合金粉末的制

5、備方法主要有:元素粉末混合法和預(yù)合金化法。元素粉末混合法是將元素粉末按合金的成分配比混合，制得合金粉。為了提高該合金粉末的成形性，可在氫化脫氫純鈦粉中混入一定比例的氣體霧化粉。此方法制備合金粉末價(jià)格相對(duì)低廉。預(yù)合金化粉制備方法中氣體霧化法是能夠進(jìn)行批量生產(chǎn)的廉價(jià)方法。元素粉末混合法生產(chǎn)的合金粉末相對(duì)預(yù)合金化粉末價(jià)格低廉，容易成形，且工藝成熟，因此，有著更為廣泛的市場(chǎng)前景。3.2 粘結(jié)劑的選擇和混煉3.2.1 粘結(jié)劑的選擇選擇合適的粘結(jié)劑是注射成形的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它直接影響著混合、注射成形、脫脂等工序, 對(duì)注射成形坯的質(zhì)量、脫脂及尺寸精度等有很大的影響。鈦及鈦合金粉末注射成形用的粘結(jié)劑，可在水中或有

6、機(jī)溶劑中溶解，有的粘結(jié)劑還添加了催化劑，加快了粘結(jié)劑的分解。粘結(jié)劑用量對(duì)成形質(zhì)量影響很大。粘結(jié)劑不足時(shí)導(dǎo)致成形困難；粘結(jié)劑過(guò)多時(shí)會(huì)降低喂料的粘度。粘結(jié)劑一般占喂料總量的40%50%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)),最終通過(guò)熱解去除。3.2.2 混煉混料也是比較關(guān)鍵的工序?；炝线^(guò)程中產(chǎn)生缺陷在以后的工序中很難消除,因此對(duì)混料提出了要求: 均勻、流動(dòng)性好, 以確保均勻的收縮和變形。要求在保證有效成形的條件, 具有最大的粉末裝載量,以保證燒結(jié)過(guò)程中的收縮量最小, 避免由此引起的工序缺陷出現(xiàn)。粉末充填量對(duì)注射成形工藝和熱脫脂過(guò)程有一定的影響。粉末充填量過(guò)多過(guò)少均不利，因此,從脫粘及保持形狀方面考慮,充填量應(yīng)盡量大一些。

7、混料過(guò)程中,混合速度升高,混料的均勻性提高。但速度太快, 會(huì)使混合料的溫度升高,這對(duì)低熔點(diǎn)組元的粘結(jié)劑是有害的。另外，粉末與粘結(jié)劑的親和性能。粘結(jié)劑和喂料在各種條件下的流變性能及熱力學(xué)性能粘結(jié)劑對(duì)脫脂及產(chǎn)品性能的影響，以及開(kāi)發(fā)新型高效、適合鈦及鈦合金用的粘結(jié)劑，是今后鈦及鈦合金粉末注射成形件的重要研究?jī)?nèi)容。3.3 注射成形注射成形工序是將混合好的物料注射成形為所需形狀的無(wú)缺陷坯料。由于注射成形過(guò)程所形成的缺陷在后續(xù)工藝中無(wú)法消除，因此，該步驟要嚴(yán)格控制。采用計(jì)算機(jī)模擬喂料及充填模具過(guò)程，優(yōu)化注射成形條件參數(shù)，是目前消除注射成形缺陷較為先進(jìn)的手段，也是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。注射成形關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一是有關(guān)成

8、形的各項(xiàng)設(shè)計(jì)，其中包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)。盡管目前生產(chǎn)的產(chǎn)品在改進(jìn)精度方面已取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，然而，大多數(shù)設(shè)計(jì)特別是模具設(shè)計(jì)還是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，缺乏理論依據(jù)，且CAD系統(tǒng)難以很好地應(yīng)用于金屬注射成形。北京科技大學(xué)郭世柏等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得出, 影響注射成形生坯質(zhì)量的主要因素有:模具設(shè)計(jì)合理與否；注射成形過(guò)程工藝參數(shù)( 注射壓力、注射溫度、注射速度和模具溫度)。要獲得理想的注射成形生坯，必須對(duì)模具設(shè)計(jì)和注射成形參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。3.4 脫脂和燒結(jié)粘結(jié)劑脫除即脫脂最費(fèi)時(shí)、最難控制，是金屬注射成形工藝中最重要的環(huán)節(jié)，也是阻礙金屬注射成形工藝技術(shù)發(fā)展的難題。脫脂工藝對(duì)于保證產(chǎn)品質(zhì)量極為重要。鈦及鈦合金常用的脫脂方

9、法有熱脫脂、溶劑脫脂、催化脫脂及超臨界流體萃取等。燒結(jié)是金屬注射成形工藝中最后一道工序，起著使產(chǎn)品致密化和化學(xué)性質(zhì)均勻的作用。燒結(jié)條件(如溫度、氣氛、升溫速度等)影響產(chǎn)品的性能和精度。由于金屬粉末注射成形采用了大量的粘結(jié)劑，燒結(jié)時(shí)收縮非常大，線(xiàn)收縮率一般達(dá)到12%18%。因此，變形控制和尺寸精度控制至關(guān)重要。另外，加熱過(guò)程中的氣體反應(yīng)以及殘留的聚合物與粉末雜質(zhì)反應(yīng)等，特別是后者在孔隙中影響注射成形產(chǎn)品的致密化。燒結(jié)鈦及鈦合金要用經(jīng)過(guò)嚴(yán)格脫水和凈化的氫氣，最好是在真空或惰性氣氛中進(jìn)行。在鈦及鈦合金的燒結(jié)過(guò)程中，固定器和填料也很關(guān)鍵，若使用AlO3，在比較高的溫度燒結(jié)會(huì)增加氧含量，推薦使用。4、研

10、究現(xiàn)狀與應(yīng)用目前，鈦合金已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、船艦、汽車(chē)、化工及石化等領(lǐng)域，有著十分廣闊的應(yīng)用前景。譬如，20032007年，我國(guó)海綿鈦產(chǎn)量從幾千噸增加到6000t以上，2013年我國(guó)鈦加工材產(chǎn)量雖然比2012年下降了約13，但仍達(dá)4453。就潛力而言，鈦合金將更加廣泛地應(yīng)用于民用工業(yè)，特別是汽車(chē)、醫(yī)療器械、生物移植物等受到了充分重視。目前，車(chē)用鈦合金主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)、連桿、曲軸及彈簧等。然而，對(duì)于民用領(lǐng)域，鈦合金價(jià)格方面必須首要考慮。生產(chǎn)低成本、高性能鈦及鈦合金粉末注射成形件的主要途徑和研究方向是: 使用價(jià)格低廉的氫化脫氫粉和氣體霧化粉混合得到的鈦及鈦合金粉作為注射成形的原料粉末；開(kāi)發(fā)新

11、型高效的鈦及鈦合金粉末注射成形用的粘結(jié)劑體系；優(yōu)化混煉工藝；優(yōu)化注射條件參數(shù)以消除注射缺陷；開(kāi)發(fā)先進(jìn)的脫脂工藝，縮短脫脂時(shí)間并減少脫脂缺陷，以降低成本；研究燒結(jié)工藝，控制產(chǎn)品尺寸精度，提高產(chǎn)品性能。通過(guò)優(yōu)化金屬注射成形工藝加大產(chǎn)品的尺寸，研究超小型零件的注射成形是擴(kuò)大鈦及鈦合金粉末注射成形產(chǎn)品應(yīng)用的重要途徑。5、結(jié)束語(yǔ)隨著粉末冶金鈦合金技術(shù)在生物醫(yī)用和航空航天等高新技術(shù)領(lǐng)域中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，未來(lái)研究的重點(diǎn)集中在球形鈦及鈦合金粉末制備工藝上。并且隨著3D打印和粉末注射成形技術(shù)不斷得到應(yīng)用，球形粉末需求的增長(zhǎng)會(huì)非?？臁Ｎ磥?lái)鈦及鈦合金粉末制備技術(shù)的研究重點(diǎn)還在如何降低粉末雜質(zhì)含量，降低生產(chǎn)成本等。參考文獻(xiàn)