钛产品加工中粉末冶金技术的发展

巨亚杰　田任超　冯艳芸　梁宁利　巩蓬勃

摘要：文章分析了钛及钛合金领域粉末冶金技术的发展概况，介绍了钛粉末冶金加工技术和应用现状，提出了粉末冶金技术的优势和特点，并提出该技术适合钛合金制造企业技术转型，有广阔的应用前景。

关键词：粉末冶金；钛合金；钛市场；激光烧结快速成形技术

中图分类号：TG146 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）30-0084-02

1 钛合金的应用、特性、发展方向及未来技术研究的热点

钛及钛合金的应用市场主要包括航空、军工、石化、冶金、汽车、核电、医疗、体育休闲等领域，由于它具有比强度高、热稳定性好、耐腐蚀及无磁性等优异性能，被称为“21世纪的金属”。近几年，随着价格竞争日趋激烈，钛加工企业更加关注降低钛及钛合金产品的制造成本，希望通过技术创新解决生产经营难题。国际钛合金协会（International Titanium Association，ITA）2008年年会在分析钛合金应用加工现状的基础上，对钛合金技术发展方向做了分析，提出了未来技术研究的热点，包括钛合金机械加工、钛合金焊连接、钛合金粉末冶金等。其中，钛合金粉末冶金作为一种低成本钛合金产品制备方法得到业内的高度关注。

1.1 钛合金制造传统工艺的缺点

由于钛是非常活泼的金属，在液态下能和氧、氮、氢及碳发生快速反应，所以钛合金必须在高真空度或惰性气体保护下进行，这就使得传统的熔炼煅造工艺成本很高。为了确保合金组织性能，需要反复锻压及热处理，增加了能耗成本。由于其特殊物理性质，

也增加了机械加工过程中的工艺成本和废料损耗。

1.2 国外粉末冶金技术制造钛合金产品情况

采用粉末冶金技术制造钛合金产品尤其是复杂零部件，具有效率和成本的优势，成为研发低成本钛合金工艺的重要研究方向。日本TKK公司以钛粉和混合中间合金粉39AL-26V-17.5Fe-17.5Mo为原料，通过混料压坯，再对坯料进行真空烧结，成功制备出了钛合金产品。国际钛粉公司（ITP）研制的阿姆斯壮（Armstrong）法可在较低温度下生产出高纯度Ti-6Al-4V粉末，适用于粉末冶金制造。美国橡树岭国家实验室（ORNL）通过测试评估了粉末制成的成品CP钛和Ti-6Al-4V板，对两种材料进行了化学、冶金和力学试验，得到的产品Ti-6Al-4V板性能与传统工艺钛产品的性能相当的结论。

1.3 国内粉末冶金技术制造钛合金产品情况

传统的粉末冶金法采用脱氢钛粉经混料、模压及真空烧结的工艺制备钛合金。如湖南科技大学蔡春波等采用氢化钛粉、Nb、Zr及Sn粉为原料，利用氢的可逆合金化作用制备了Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金，其发表的文献介绍了研究探索的烧结工艺条件，其过程是以TiH2粉末与Al-V合金为原料，机械混匀，压制成压坯，采用真空烧结炉烧结，并实验各种后续保温热处理条件。加工后的理想产品金相组织呈现出典型魏氏体，β晶粒平均直径为60μm，样品致密度达97.2%。

2 新型高能量源直接烧结钛粉末的冶金加工技术

随着科技进步，利用高能量源直接烧结钛粉末的冶金加工技术也开发成功，走向应用。该技术基于“分层制造”成形的思想，制造成形的零件基本不需要后续加工或加工余量很小，很适合于钛合金复杂零部件的加工。主要技术包括直接金属激光烧结快速成形技术（SLS）、电子束选区熔覆技术（EBM）等。

2.1 直接金属激光烧结快速成形技术

直接金属激光烧结快速成形技术综合运用先进的激光技术、粉体技术和计算机控制技术实现直接加工成形近致密金属零件。首先，利用计算机辅助设计系统（CAD）构造目标产品的三维零件模型，然后将该数字模型分解成一系列二维层片结构后，由计算机控制激光束移动，由粉末摊铺系统同步移动铺设合金粉末，在对细粉烧结一个层面后系统重新开始烧结新的层面，经逐层烧结后最终形成产品的三维实体。本方法相关设备包括三个子系统：激光源和扫描控制系统，通常采用波长为1.06μm的Nd-YAG固体激光器和波长为10.6μm的红外CO2气体激光器；粉末摊铺系统，功能是在每层扫描结束后快速铺下一层粉末；气氛控制系统，对钛产品来说用氩气作保护气体，防止粉末加工时被氧化。德国EOS公司用该方法制造了Ti64产品，实践表明该方法使得加工周期比一般零件制造缩短70%，成本降低50%。其制造过程是首先将加工零部件的CAD、STEP、STL或IGES三维数字文件转换为制造准备文件（需要10～20分钟），随后是安放加工平台和15分钟的保护性氩气填充，正式加工过程需要30～40分钟，最后用30～40分钟进行清理工作并为下一个产品制造做准备。烧结成形的钛材为Ti-6Al-4V，经测试其机械性能等于甚至优于同类的熔锻材料，测试的抗拉强度为1.15060MPa，杨氏模量为1107GPa，其成品也很易于进行二次再加工，这一新工艺大大降低了钛的机械加工成本。

2.2 电子束选区熔覆技术

电子束选区熔覆技术是采用高能量的电子束轰击预先混合好钛混合粉料逐层烧结的制造技术。钛金属粉末在电子束的轰击下会熔化并烧结成一层并和其下层已降温成形的一层粘接。瑞典Arcam公司采用该技术开发了EBM S12系统，该设备电子束源部分将上部丝极加热到2500℃以上释放电子，经阳极加速通过聚焦线圈形成向下轰击电子束，可通过磁场控制电子束偏转、通过电流控制电子束能量，其生成功率可达4kW。加工时在真空室内由粉末分配器在工作平面上铺展一层粉末，随后工作站将加工件三维造型文件转换成分层轮廓数据并传输给控制系统。根据读取的轮廓数据，控制系统驱动电子束按照特定扫描路径进行有选择的烧结，钛金属粉末在电子束的轰击下被逐层烧结堆积，直至整个零件的最上一层表面烧结完成。未烧结区域的粉末形态没有变化，扫除后便可得到所需的三维钛合金部件。该系统主要应用于航空、航天、汽车、医学植入领域钛合金部件制造。烧结成形的Ti-6Al-4V钛合金具有良好的金相结构，机械性能优异，报导的屈服强度为910～940MPa，抗拉强度950～990MPa，洛氏硬度为30～35HRC，弹性模量120GPa。但在实际应用中还存在制造尺寸仅为有限（最大制造尺寸仅为250×250×200mm）、原料钛粉需要特殊专供等

问题。

3 结语

综上所述，粉末冶金技术在钛及钛合金制造领域具有技术先进、节约资源、高效环保等优势，其生产工艺复杂度低、制造设备投入可大可小，有利于钛合金制造企业通过技术转型，提高效益。所以进一步开展相关技术研究，对当前钛加工产业转型升级、技术创新具有现实意义。

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作者简介：巨亚杰（1966-），男，陕西岐山人，宝鸡出入境检验检疫局实验室主任，研究方向：实验室化学分析。

（责任编辑：周 琼）