鈦產(chǎn)品加工中粉末冶金技術(shù)的發(fā)展

巨亞杰　田任超　馮艷蕓　梁寧利　鞏蓬勃

摘要：文章分析了鈦及鈦合金領(lǐng)域粉末冶金技術(shù)的發(fā)展概況，介紹了鈦粉末冶金加工技術(shù)和應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了粉末冶金技術(shù)的優(yōu)勢和特點(diǎn)，并提出該技術(shù)適合鈦合金制造企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)型，有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：粉末冶金；鈦合金；鈦市場；激光燒結(jié)快速成形技術(shù)

中圖分類號：TG146 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）30-0084-02

1 鈦合金的應(yīng)用、特性、發(fā)展方向及未來技術(shù)研究的熱點(diǎn)

鈦及鈦合金的應(yīng)用市場主要包括航空、軍工、石化、冶金、汽車、核電、醫(yī)療、體育休閑等領(lǐng)域，由于它具有比強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕及無磁性等優(yōu)異性能，被稱為“21世紀(jì)的金屬”。近幾年，隨著價格競爭日趨激烈，鈦加工企業(yè)更加關(guān)注降低鈦及鈦合金產(chǎn)品的制造成本，希望通過技術(shù)創(chuàng)新解決生產(chǎn)經(jīng)營難題。國際鈦合金協(xié)會（International Titanium Association，ITA）2008年年會在分析鈦合金應(yīng)用加工現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對鈦合金技術(shù)發(fā)展方向做了分析，提出了未來技術(shù)研究的熱點(diǎn)，包括鈦合金機(jī)械加工、鈦合金焊連接、鈦合金粉末冶金等。其中，鈦合金粉末冶金作為一種低成本鈦合金產(chǎn)品制備方法得到業(yè)內(nèi)的高度關(guān)注。

1.1 鈦合金制造傳統(tǒng)工藝的缺點(diǎn)

由于鈦是非常活潑的金屬，在液態(tài)下能和氧、氮、氫及碳發(fā)生快速反應(yīng)，所以鈦合金必須在高真空度或惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行，這就使得傳統(tǒng)的熔煉煅造工藝成本很高。為了確保合金組織性能，需要反復(fù)鍛壓及熱處理，增加了能耗成本。由于其特殊物理性質(zhì)，

也增加了機(jī)械加工過程中的工藝成本和廢料損耗。

1.2 國外粉末冶金技術(shù)制造鈦合金產(chǎn)品情況

采用粉末冶金技術(shù)制造鈦合金產(chǎn)品尤其是復(fù)雜零部件，具有效率和成本的優(yōu)勢，成為研發(fā)低成本鈦合金工藝的重要研究方向。日本TKK公司以鈦粉和混合中間合金粉39AL-26V-17.5Fe-17.5Mo為原料，通過混料壓坯，再對坯料進(jìn)行真空燒結(jié)，成功制備出了鈦合金產(chǎn)品。國際鈦粉公司（ITP）研制的阿姆斯壯（Armstrong）法可在較低溫度下生產(chǎn)出高純度Ti-6Al-4V粉末，適用于粉末冶金制造。美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）通過測試評估了粉末制成的成品CP鈦和Ti-6Al-4V板，對兩種材料進(jìn)行了化學(xué)、冶金和力學(xué)試驗(yàn)，得到的產(chǎn)品Ti-6Al-4V板性能與傳統(tǒng)工藝鈦產(chǎn)品的性能相當(dāng)?shù)慕Y(jié)論。

1.3 國內(nèi)粉末冶金技術(shù)制造鈦合金產(chǎn)品情況

傳統(tǒng)的粉末冶金法采用脫氫鈦粉經(jīng)混料、模壓及真空燒結(jié)的工藝制備鈦合金。如湖南科技大學(xué)蔡春波等采用氫化鈦粉、Nb、Zr及Sn粉為原料，利用氫的可逆合金化作用制備了Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金，其發(fā)表的文獻(xiàn)介紹了研究探索的燒結(jié)工藝條件，其過程是以TiH2粉末與Al-V合金為原料，機(jī)械混勻，壓制成壓坯，采用真空燒結(jié)爐燒結(jié)，并實(shí)驗(yàn)各種后續(xù)保溫?zé)崽幚項(xiàng)l件。加工后的理想產(chǎn)品金相組織呈現(xiàn)出典型魏氏體，β晶粒平均直徑為60μm，樣品致密度達(dá)97.2%。

2 新型高能量源直接燒結(jié)鈦粉末的冶金加工技術(shù)

隨著科技進(jìn)步，利用高能量源直接燒結(jié)鈦粉末的冶金加工技術(shù)也開發(fā)成功，走向應(yīng)用。該技術(shù)基于“分層制造”成形的思想，制造成形的零件基本不需要后續(xù)加工或加工余量很小，很適合于鈦合金復(fù)雜零部件的加工。主要技術(shù)包括直接金屬激光燒結(jié)快速成形技術(shù)（SLS）、電子束選區(qū)熔覆技術(shù)（EBM）等。

2.1 直接金屬激光燒結(jié)快速成形技術(shù)

直接金屬激光燒結(jié)快速成形技術(shù)綜合運(yùn)用先進(jìn)的激光技術(shù)、粉體技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)直接加工成形近致密金屬零件。首先，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)（CAD）構(gòu)造目標(biāo)產(chǎn)品的三維零件模型，然后將該數(shù)字模型分解成一系列二維層片結(jié)構(gòu)后，由計(jì)算機(jī)控制激光束移動，由粉末攤鋪系統(tǒng)同步移動鋪設(shè)合金粉末，在對細(xì)粉燒結(jié)一個層面后系統(tǒng)重新開始燒結(jié)新的層面，經(jīng)逐層燒結(jié)后最終形成產(chǎn)品的三維實(shí)體。本方法相關(guān)設(shè)備包括三個子系統(tǒng)：激光源和掃描控制系統(tǒng)，通常采用波長為1.06μm的Nd-YAG固體激光器和波長為10.6μm的紅外CO2氣體激光器；粉末攤鋪系統(tǒng)，功能是在每層掃描結(jié)束后快速鋪下一層粉末；氣氛控制系統(tǒng)，對鈦產(chǎn)品來說用氬氣作保護(hù)氣體，防止粉末加工時被氧化。德國EOS公司用該方法制造了Ti64產(chǎn)品，實(shí)踐表明該方法使得加工周期比一般零件制造縮短70%，成本降低50%。其制造過程是首先將加工零部件的CAD、STEP、STL或IGES三維數(shù)字文件轉(zhuǎn)換為制造準(zhǔn)備文件（需要10～20分鐘），隨后是安放加工平臺和15分鐘的保護(hù)性氬氣填充，正式加工過程需要30～40分鐘，最后用30～40分鐘進(jìn)行清理工作并為下一個產(chǎn)品制造做準(zhǔn)備。燒結(jié)成形的鈦材為Ti-6Al-4V，經(jīng)測試其機(jī)械性能等于甚至優(yōu)于同類的熔鍛材料，測試的抗拉強(qiáng)度為1.15060MPa，楊氏模量為1107GPa，其成品也很易于進(jìn)行二次再加工，這一新工藝大大降低了鈦的機(jī)械加工成本。

2.2 電子束選區(qū)熔覆技術(shù)

電子束選區(qū)熔覆技術(shù)是采用高能量的電子束轟擊預(yù)先混合好鈦混合粉料逐層燒結(jié)的制造技術(shù)。鈦金屬粉末在電子束的轟擊下會熔化并燒結(jié)成一層并和其下層已降溫成形的一層粘接。瑞典Arcam公司采用該技術(shù)開發(fā)了EBM S12系統(tǒng)，該設(shè)備電子束源部分將上部絲極加熱到2500℃以上釋放電子，經(jīng)陽極加速通過聚焦線圈形成向下轟擊電子束，可通過磁場控制電子束偏轉(zhuǎn)、通過電流控制電子束能量，其生成功率可達(dá)4kW。加工時在真空室內(nèi)由粉末分配器在工作平面上鋪展一層粉末，隨后工作站將加工件三維造型文件轉(zhuǎn)換成分層輪廓數(shù)據(jù)并傳輸給控制系統(tǒng)。根據(jù)讀取的輪廓數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)驅(qū)動電子束按照特定掃描路徑進(jìn)行有選擇的燒結(jié)，鈦金屬粉末在電子束的轟擊下被逐層燒結(jié)堆積，直至整個零件的最上一層表面燒結(jié)完成。未燒結(jié)區(qū)域的粉末形態(tài)沒有變化，掃除后便可得到所需的三維鈦合金部件。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于航空、航天、汽車、醫(yī)學(xué)植入領(lǐng)域鈦合金部件制造。燒結(jié)成形的Ti-6Al-4V鈦合金具有良好的金相結(jié)構(gòu)，機(jī)械性能優(yōu)異，報(bào)導(dǎo)的屈服強(qiáng)度為910～940MPa，抗拉強(qiáng)度950～990MPa，洛氏硬度為30～35HRC，彈性模量120GPa。但在實(shí)際應(yīng)用中還存在制造尺寸僅為有限（最大制造尺寸僅為250×250×200mm）、原料鈦粉需要特殊專供等

問題。

3 結(jié)語

綜上所述，粉末冶金技術(shù)在鈦及鈦合金制造領(lǐng)域具有技術(shù)先進(jìn)、節(jié)約資源、高效環(huán)保等優(yōu)勢，其生產(chǎn)工藝復(fù)雜度低、制造設(shè)備投入可大可小，有利于鈦合金制造企業(yè)通過技術(shù)轉(zhuǎn)型，提高效益。所以進(jìn)一步開展相關(guān)技術(shù)研究，對當(dāng)前鈦加工產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、技術(shù)創(chuàng)新具有現(xiàn)實(shí)意義。

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作者簡介：巨亞杰（1966-），男，陜西岐山人，寶雞出入境檢驗(yàn)檢疫局實(shí)驗(yàn)室主任，研究方向：實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析。

（責(zé)任編輯：周 瓊）