鈦合金粉末冶金技術(shù)研究

李海泓，孫 慧

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009)

【機(jī)械制造與檢測(cè)技術(shù)】

鈦合金粉末冶金技術(shù)研究

李海泓，孫 慧

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009)

介紹了鈦合金粉末冶金技術(shù)和熱等靜壓，分析了熱等靜壓工藝過程和工作原理，給出了鈦合金粉末冶金技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了研究；利用鈦合金粉末冶金技術(shù)加工的空空導(dǎo)彈伺服機(jī)構(gòu)殼體，其力學(xué)性能優(yōu)越，具有良好的微觀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部無缺陷；使用該技術(shù)使伺服機(jī)構(gòu)殼體的生產(chǎn)周期縮短了30%，材料利用率提高了60%，解決了之前伺服機(jī)構(gòu)殼體采用鍛環(huán)加工帶來的交付瓶頸問題，并且使伺服機(jī)構(gòu)殼體的加工性能和力學(xué)性能進(jìn)一步提高，更能滿足空空導(dǎo)彈對(duì)高強(qiáng)度、高致密輕質(zhì)材料的使用要求。

鈦合金；粉末冶金；熱等靜壓；空空導(dǎo)彈；伺服機(jī)構(gòu)殼體

鈦合金具有韌性好、強(qiáng)度高、抗氧化能力強(qiáng)、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空和航天等領(lǐng)域。然而由于鈦合金制品價(jià)格比較昂貴，從而限制了它的應(yīng)用。鈦合金制品成本高的主要原因是傳統(tǒng)制造工藝復(fù)雜，二次加工時(shí)材料損失較大。為了降低成本，國(guó)內(nèi)外大力發(fā)展鈦合金無切削、少切削的近凈成形工藝，鈦合金的粉末冶金技術(shù)就是這種近凈成形工藝之一，它是一種高效、優(yōu)質(zhì)、精密、節(jié)能的先進(jìn)鈦合金材料制備成型技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)加無法加工或難加工零件的一次近凈成形，并且綜合性能優(yōu)越，相對(duì)不銹鋼等金屬而言重量較輕[1-4]。某型空空導(dǎo)彈伺服機(jī)構(gòu)殼體，需要采用鈦合金材料，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)加比較困難，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，材料利用率低。如果采用鈦合金粉末冶金技術(shù)可以在短周期內(nèi)加工出伺服機(jī)構(gòu)殼體，提高材料利用率，并且零件力學(xué)性能優(yōu)越，完全滿足空空導(dǎo)彈使用要求。因此，先進(jìn)空空導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展離不開鈦合金粉末冶金技術(shù)的支持。

1 鈦合金粉末冶金技術(shù)

鈦合金粉末冶金技術(shù)通常采用熱等靜壓，它是一種低成本、高產(chǎn)量生產(chǎn)近凈成形部件的方法，基本上不需要進(jìn)一步機(jī)加或調(diào)整，便可以很好地控制產(chǎn)品尺寸，并且零部件的穩(wěn)定性和可再制性極好，而且均勻性和力學(xué)性能可以完全得到保證。

1.1 熱等靜壓

熱等靜壓是一種集高溫和高壓于一體的工藝生產(chǎn)技術(shù)，加熱溫度通常為1 000～2 000℃，在高溫高壓密閉容器中以高壓惰性氣體或氮?dú)鉃閭鲏航橘|(zhì)，對(duì)其中的粉末或待壓實(shí)的燒結(jié)坯料或零件施加各向均等靜壓力，形成高致密度坯料或零件的方法，工作壓力可達(dá)200 MPa。在高溫高壓的共同作用下，被加工件的各向均衡受壓，使材料熱致密化[5-7]。

1.2 熱等靜壓的工藝過程

熱等靜壓的一般工藝過程如圖1所示，粉末填充一般在真空或惰性氣體氛圍中進(jìn)行，為了提高填充粉末的密度，包套要不停的震動(dòng)。為了得到統(tǒng)一的收縮，則需要填充粉末的密度應(yīng)不低于理論密度的68%。填充后包套抽成真空并進(jìn)行密封，這是因?yàn)闊岬褥o壓過程是通過壓差來固結(jié)被成型粉末和材料的，一旦包套密封不嚴(yán)，氣體介質(zhì)進(jìn)入包套，將影響粉末的燒結(jié)成型。另外，真空密封可以去除空氣和水，防止氧化反應(yīng)[8]。

圖1 熱等靜壓的一般工藝過程

1.3 熱等靜壓的工作原理

根據(jù)帕斯卡原理，在一個(gè)密封的容器內(nèi)，作用在靜態(tài)液體或氣體上的外力所產(chǎn)生的靜壓力，將均勻地在各個(gè)方向上傳遞，在其作用的表面積上所受到的壓力與表面積成正比。在高溫高壓作用下，熱等靜壓爐內(nèi)的包套軟化并收縮，擠壓內(nèi)部粉末使其與自己一起運(yùn)動(dòng)。高溫高壓同時(shí)作用下粉末的致密化過程與一般無壓燒結(jié)或常溫壓制有很大差異，其致密化過程大致分為3個(gè)階段，第1個(gè)階段是粉末的靠近與重排階段，第2個(gè)階段是粉末材料的塑性變形階段，第3個(gè)階段是粉末粒子的擴(kuò)散蠕變階段。這3個(gè)階段并不是截然分開的，在熱等靜壓過程中它們往往同時(shí)起作用而促進(jìn)粉末體的致密化，只是當(dāng)粉末體在不同收縮階段，由不同的致密化過程起主導(dǎo)作用[9-11]。

1.4 鈦合金粉末冶金技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

鈦合金粉末冶金技術(shù)被認(rèn)為是進(jìn)一步提高鈦合金性能和降低其價(jià)格的出路。與傳統(tǒng)方法相比，鈦合金粉末冶金技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)：

1) 致密度高，在很低的溫度下粉末便可固結(jié)到很高的密度，具有良好的微觀結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)完全致密，晶粒細(xì)小，組織均勻，構(gòu)件內(nèi)部無缺陷。

2) 具有較強(qiáng)的成形能力，由于非常一致的加熱，脆性材料也可被壓縮成型。易于制備形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，可制備高性能多功能鈦基復(fù)合材料。

3) 生產(chǎn)周期短，工藝過程簡(jiǎn)單，能耗低，材料損耗小，所制備的零件基本為凈形，可節(jié)省大量原材料，減少機(jī)械加工，降低成本，視零件形狀復(fù)雜程度，成本可降低20%～50%。

4) 材料性能優(yōu)越，可全面達(dá)到或超過鍛件的水平?？芍貜?fù)性好，良好的批產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定性，無因材料問題導(dǎo)致的批產(chǎn)廢品，成品率高。

2 鈦合金粉末冶金技術(shù)的應(yīng)用

隨著鈦合金粉末冶金技術(shù)的迅速發(fā)展，其制品已廣泛應(yīng)用于航空航天和軍事工業(yè)上。包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天器、氫泵葉輪、薄壁艙體、空氣舵骨架、導(dǎo)彈尾翼、貯箱、潛艇潛望鏡筒體等[12]。近年來，鈦合金粉末冶金技術(shù)已在空空導(dǎo)彈中得到應(yīng)用，如某型空空導(dǎo)彈二艙殼體、舵翼面等。

某型空空導(dǎo)彈伺服機(jī)構(gòu)殼體之前為了滿足使用要求，需要定購(gòu)專用毛坯，該毛坯是由鈦合金鍛造而成的鍛環(huán)，材料致密化程度不高，內(nèi)部缺陷較多，合格率較低，實(shí)現(xiàn)大批量供貨比較困難。鍛環(huán)合格后再對(duì)其進(jìn)行機(jī)械粗加工與精加工，材料利用率只有10%，生產(chǎn)周期為6個(gè)月，已成為伺服機(jī)構(gòu)的一個(gè)交付瓶頸，嚴(yán)重制約了伺服機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)交付。

如果采用鈦合金粉末冶金技術(shù)加工毛坯，可實(shí)現(xiàn)伺服機(jī)構(gòu)部分低精度尺寸的一次成型，無需再進(jìn)行機(jī)械加工，并且生產(chǎn)效率高，質(zhì)量一致性好，成品率高。

粉末冶金毛坯交付后只需對(duì)其進(jìn)行機(jī)械精加工即可，材料利用率達(dá)到70%以上，提高了60%，生產(chǎn)周期為4個(gè)月，縮短了30%，解決了伺服機(jī)構(gòu)殼體的交付瓶頸問題。

如圖2所示為采用鈦合金粉末冶金技術(shù)試制的某型空空導(dǎo)彈伺服機(jī)構(gòu)殼體，經(jīng)超聲波無損檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷，致密化程度較高。其隨爐拉伸試棒(圖3)力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表1所示，表2給出了鈦合金其他加工方法下的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。

圖2 伺服機(jī)構(gòu)粉末冶金殼體

圖3 隨爐拉伸試棒

表1 隨爐拉伸試棒力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

加工方法及狀態(tài)抗拉強(qiáng)度σp/MPa屈服強(qiáng)度σp0.2/MPa延伸率δ5/%斷面收縮率ψ/%粉末冶金(熱等靜壓)≥934≥866≥14.8≥42.8

表2 鈦合金其他加工方法力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)比分析，采用鈦合金粉末冶金技術(shù)加工出的產(chǎn)品力學(xué)性能比鍛件更加優(yōu)越，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較高，對(duì)粉末冶金材料比較困難的塑性指標(biāo)延伸率和斷面收縮率均達(dá)到了較高水平。并且產(chǎn)品均勻致密，具有良好的微觀結(jié)構(gòu)，晶粒細(xì)小，無內(nèi)部缺陷，可以更好地滿足先進(jìn)空空導(dǎo)彈對(duì)高強(qiáng)度、高致密輕質(zhì)材料的使用要求。

3 結(jié)論

鈦鈦合金粉末冶金技術(shù)作為一種先進(jìn)的鈦合金材料制備成型技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于航空航天和軍事工業(yè)上。隨著鈦合金粉末冶金技術(shù)的發(fā)展，它在空空導(dǎo)彈中的應(yīng)用也越來越多，對(duì)某型空空導(dǎo)彈伺服機(jī)構(gòu)殼體而言，采用鈦合金粉末冶金技術(shù)，可以大幅度提高材料利用率，縮短加工周期，降低生產(chǎn)成本，并且產(chǎn)品加工性能和力學(xué)性能更加優(yōu)越。可以更好地滿足先進(jìn)空空導(dǎo)彈對(duì)高強(qiáng)度、高致密輕質(zhì)材料的使用要求，因此，先進(jìn)空空導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展離不開鈦合金粉末冶金技術(shù)的支持。

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(責(zé)任編輯 唐定國(guó))

Research of Titanium Alloy Powder Metallurgy Technique

LI Hai-hong， SUN Hui

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

This article introduced titanium alloy powder metallurgy technique and hot isostatic pressing, in which the process and operational principle of hot isostatic pressing were analyzed, meanwhile the advantages and application of titanium alloy powder metallurgy technique were researched. The air-to-air missile servo shell machined by titanium alloy powder metallurgy technique has superior mechanical properties, good microstructure and has no inner-flaw in it. The production cycle can be reduced 30% and the material utilization can be increased 60%, and it resolved bottleneck problem brought by servo shell in using forged ring processing delivery, and the processing properties and mechanical properties of servo housing were further improved, which can better meet the air-to-air missile on the use of high strength and high density of lightweight material requirements.

titanium alloy; powder metallurgy technique; hot isostatic pressing; air-to-air missile; servo shell

2015-01-15

李海泓(1985—)，男，工程師，主要從事伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。

10.11809/scbgxb2015.08.022

李海泓，孫慧.鈦合金粉末冶金技術(shù)研究[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(8):89-91.

format:LI Hai-hong，SUN Hui.Research of Titanium Alloy Powder Metallurgy Technique [J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(8):89-91.

TJ765

A

1006-0707(2015)08-0089-03