鈦合金材料應(yīng)用熱壓燒結(jié)技術(shù)的熱機(jī)械工藝行為研究

燕金華

(東營職業(yè)學(xué)院,山東東營 257091)

鈦及鈦合金材料具有密度小、比強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小、耐腐蝕性好、相容性高、易焊接的優(yōu)勢特征,在航空航天、化工、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是,鈦合金由于導(dǎo)熱系數(shù)低、摩擦系數(shù)高等特點(diǎn),使其不具備較強(qiáng)切削性能,內(nèi)螺紋難以加工成型,導(dǎo)致鈦合金被列為難加工材料之一。近年來,隨著鈦合金材料的應(yīng)用范圍與規(guī)模不斷擴(kuò)張,生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢料也相應(yīng)增加,鍛件材料利用率與鑄造利用率較低。因此,高效、低成本的鈦合金加工技術(shù)已重視程度有所提高,成為當(dāng)前機(jī)械加工研究重點(diǎn)。

1 鈦合金合成材料基本概述

1.1 鈦合金分類

考慮到鈦合金材料具有多晶型性,基于退火狀態(tài)組成差異,可以將鈦合金材料分為α 型、β 型以及α+β 。但在實(shí)際機(jī)械加工過程中,尤其在熱機(jī)械工藝處理下,會出現(xiàn)非平衡微觀結(jié)構(gòu)。參考β 穩(wěn)定元素含量與β 相區(qū)淬火鈦合金材料的相組成,可分為五大類[1],類型特征見表1。

表1 鈦合金主要類型Table 1 Main types of titanium alloys

1.2 鈦合金微觀組織結(jié)構(gòu)與性能特證

鈦合金的微觀組織通過熱加工處理,會產(chǎn)生相應(yīng)變化,這為鈦合金微觀組織結(jié)構(gòu)調(diào)控性奠定良好基礎(chǔ)?；阝伜辖鸩牧衔⒂^組織形態(tài)的差異化表現(xiàn),可分為四種常見結(jié)構(gòu)類型:等軸結(jié)構(gòu)、雙態(tài)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)籃結(jié)構(gòu)以及魏氏結(jié)構(gòu)。同時(shí),研究人員通過研究不同結(jié)構(gòu)鈦合金材料的機(jī)械性能,發(fā)現(xiàn)不同制造工藝獲得鈦合金材料的機(jī)械性能存在不同成效。

2 鈦合金制備加工工藝

2.1 鑄造法

精密鑄造工藝能夠達(dá)到復(fù)雜薄壁鈦合金鑄件的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)用范圍主要針對生產(chǎn)質(zhì)量要求較高的航空零件。金屬型重力鑄造是使用冷凝殼或真空電弧熔煉將鈦合金倒入可重復(fù)使用的近凈成形模具中。這種方法可以細(xì)化鈦合金微觀結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu),消除硬化層,同時(shí)使零件具有更好穩(wěn)定性。然而,由于在鑄造過程中金屬模具的快速冷卻,容易產(chǎn)生收縮腔級孔隙率,形成鑄造缺陷；離心鑄造是將熔融金屬倒入模具中,然后通過模型旋轉(zhuǎn)離心力,將模具填充并固化。該方法使液態(tài)金屬在模具中形成空心的殼體,在沒有型芯的情況下獲得空心鑄件,從而簡化套筒及其他零件的制備過程[2-3]。

2.2 鍛造法

鍛造法是鈦合金零件主流加工方法之一,結(jié)合塑性變形的溫度區(qū)間,可以將鍛造法細(xì)分為傳統(tǒng)鍛造、近β鍛造以及β 鍛造,如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)鍛造、近β 鍛造以及β 鍛造示意圖Fig.1 Schematic diagram of traditional forging,near-β forging and β forging

鍛造可以有效提高鈦合金的組織均勻性和力學(xué)性能。同時(shí),鈦合金內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)與性能變化對熱參數(shù)非常敏感。因此,鍛造溫度有所局限,由于鈦合金導(dǎo)熱性一般,變形容易引起溫度不均而產(chǎn)生裂紋問題,影響生產(chǎn)效率,增加生產(chǎn)成本[4]。

2.3 粉末冶金法

粉末冶金法類屬于近凈成形法,能夠有效控制鈦合金材料的成分偏析,消除粗大樹枝狀組織,充分利用材料。粉末冶金工藝包括熱等靜壓、注塑以及SPS。粉末冶金基本無需切削金屬材料,額外增加機(jī)械加工,從而實(shí)現(xiàn)零件一次性成型,減少原材料浪費(fèi)。作為粉末冶金的一種新的固結(jié)方法,SPS 可以實(shí)現(xiàn)鈦合金粉末的快速有效固結(jié)。例如,研究人員通過使用SPS 制備出TC4 鈦合金樣品,并將其在900℃環(huán)境下放置3min,生成精密TC4胚料[5]。

綜上所述,鑄造法能夠大大降低鈦合金材料的制備成本,便于生產(chǎn)形狀復(fù)雜的合金零件；鍛造法能夠完成材料改性,但生產(chǎn)成本相對較高,生產(chǎn)效率較低,材料浪費(fèi)率較高；粉末冶金可以有效抑制合金的成分偏析,提高材料利用率。

3 真空熱壓燒結(jié)工藝先進(jìn)性

3.1 真空熱壓性能對比

通過真空技術(shù)與專用設(shè)備的引入,能夠?yàn)殁伜辖鸩牧现苽鋭?chuàng)造真空熱壓燒結(jié)的環(huán)境與工藝條件,有效控制材料在高溫環(huán)境下產(chǎn)生的強(qiáng)度損耗,有效提升胚料性能與強(qiáng)度,起到排除多余氣體與雜質(zhì),強(qiáng)化燒結(jié)成效,提高鈦合金產(chǎn)品質(zhì)量。

鈦合金復(fù)合材料是骨架材料與金屬材料通過粉末冶金燒結(jié)出的材料,對胚料組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知,骨架材料與金屬材料在界面的作用下,將不同性能粉體進(jìn)行結(jié)合而成。當(dāng)液體金屬對骨架材料產(chǎn)生理想潤濕度后,即可產(chǎn)生較為牢固、穩(wěn)定的結(jié)合。但是,氣體與雜質(zhì)的侵入會直接降低兩種材料之間的潤濕力,影響實(shí)際結(jié)合強(qiáng)度。而在熱壓燒結(jié)環(huán)境下,氣體與雜質(zhì)將會使金屬在燒結(jié)程序中出現(xiàn)氧化的概率大幅增加,特別是當(dāng)金屬粉末顆粒較小的情況下,氧化程度越高[6]。

基于熱力學(xué)研究:當(dāng)自由能逐漸減少時(shí),固相與液相才會產(chǎn)生潤濕效果,而金屬與氧化物之間有較大的界面能,這表明液態(tài)金屬不能對氧化物產(chǎn)生較強(qiáng)的潤濕作用,利用熱壓鉆頭測試界面含氧量,結(jié)果表明,在熱壓燒結(jié)過程中,氧的存留形式為氧化膜與電離層,將會對燒結(jié)合金化產(chǎn)生不良影響。通過掃描非工作層胚料斷口處可以發(fā)現(xiàn),熱壓胚料晶界結(jié)合效果較差,撕裂情況較突出。而真空熱壓燒結(jié)在排除氣體與有氧物的基礎(chǔ)上,使鈦合金材料具備胎體性能。觀測真空熱壓燒結(jié)試樣斷口發(fā)現(xiàn),斷裂處細(xì)密、銀白,韌窩明顯,且空洞數(shù)量較少、尺寸較小。由此可知,通過真空熱壓燒結(jié)環(huán)境消除微光組織結(jié)構(gòu)中的缺陷,能夠有效改善鈦合金材料質(zhì)量與性能[7]。

3.2 真空熱壓燒結(jié)工藝應(yīng)用領(lǐng)域

在當(dāng)代合金材料領(lǐng)域中,粉末原料燒結(jié)的工業(yè)有兩種,分別是粉末冶金工業(yè)與特種陶瓷工業(yè)；燒結(jié)加工方法有兩種,分別是冷壓成型后燒結(jié)和熱壓燒結(jié)。測試結(jié)果表明:通過真空熱壓燒結(jié)能夠使鈦合金材料含氧量降低、減少雜質(zhì)與孔洞,實(shí)現(xiàn)核心材料綜合性能的提高。因此,應(yīng)積極探尋真空熱壓燒結(jié)工藝的應(yīng)用領(lǐng)域,擴(kuò)大應(yīng)用范圍。目前,可觀的市場應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾方面[8]:

工具類:硬質(zhì)合金產(chǎn)品、陶瓷金屬、粉末鋼產(chǎn)品等。

電氣類:高溫磁材料、電接觸材料、軟磁、硬磁、鐵氧體、金屬電熱材料等。

特殊材料類:粉末高溫合金、氧化物彌散強(qiáng)化材料、高純耐熱金屬、金屬復(fù)合材料等

機(jī)械零件類:農(nóng)機(jī)、辦公機(jī)械、液壓零件、家用電器等領(lǐng)域,尤其是易損耐磨部件。

3.3 真空中頻熱壓連續(xù)燒結(jié)設(shè)備結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能強(qiáng)化機(jī)理

代表性YZL-1 型真空中頻熱壓燒結(jié)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示。設(shè)備處于封閉式真空狀態(tài)。

圖2 熱壓持續(xù)燒結(jié)爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Internal structure diagram of hot pressing continuous sintering furnace

上托盤(13)提起工件(7),以(13)和密封板(17)之間形成密封環(huán)境,之后持續(xù)向上移動一定距離,以將工件(7)送入鐘罩(8)中,充氣閥(18)被充入鐘罩內(nèi)至大氣壓強(qiáng)。此時(shí),油缸(16)(即油缸D)提起鐘罩(8)。工件(7)已放置在大氣中。手動卸下工件后,可以更換新工件。油缸(16)降低鐘形罩以密封。兩級真空泵系統(tǒng)從管道(18)抽真空到鐘罩,直到塔盤(13)的上下壓力幾乎相等,當(dāng)油缸(15)上塔盤(13)掉落后,工件(7)落到工位(6)上。工位(6)轉(zhuǎn)臺(5)每旋轉(zhuǎn)60°是一個(gè)新的工位[9]。旋轉(zhuǎn)工位狀況如圖3 所示。

圖3 熱壓持續(xù)燒結(jié)爐6 工位圖Fig.3 6 station diagram of hot pressing continuous sintering furnace

當(dāng)工件(7)從1 號工位轉(zhuǎn)移到4 號工位時(shí),工件到達(dá)感應(yīng)區(qū)域正下方的位置,之后工件被缸(3)的托盤(13)垂直提起,并被送至感應(yīng)圈(11)的圓柱形加熱區(qū)域中。

閉環(huán)系統(tǒng)自動控制壓力,實(shí)現(xiàn)了高精度、高質(zhì)量的真空熱壓燒結(jié)加工。工件完成燒結(jié)后,缸(3)的托盤(13)開始下降,并且工件落在轉(zhuǎn)臺的4 號工作位置上。然后旋轉(zhuǎn)60°轉(zhuǎn)向新工件。加熱后的工件被轉(zhuǎn)移到5 號工位進(jìn)行冷卻處理[10]。

4 結(jié)語

利用真空燒結(jié)鈦合金復(fù)合材料產(chǎn)品,由于能夠通過在一定程度上節(jié)省模具、降低能耗,而平衡設(shè)備折舊成本與動力消耗,使得真空熱壓燒結(jié)工藝與一般鈦合金材料的制備成本幾乎一致。同時(shí),受益于真空熱壓燒結(jié)工藝的優(yōu)勢特征,有效提高合金成品質(zhì)量。因此,可以說真空熱壓燒結(jié)工藝和設(shè)備在生產(chǎn)高質(zhì)量鈦合金材料方面具有可行性與實(shí)效性。