內(nèi)容導(dǎo)讀

通過分析鈦在熔煉中遇到的問題，并結(jié)合粉末冶金技術(shù)的特點(diǎn)，指出應(yīng)用粉末冶金技術(shù)是未來(lái)鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然選擇。詳述了鈦合金粉末冶金生產(chǎn)的工藝路線，該工藝生產(chǎn)的TC4鈦合金粉末冶金件抗拉強(qiáng)度可達(dá)900 MPa以上，斷后伸長(zhǎng)率超過10%，綜合力學(xué)性能優(yōu)于GB/T 25137—2010鈦及鈦合金鍛件標(biāo)準(zhǔn)要求。鈦合金粉末冶金件還可用來(lái)進(jìn)行鍛造和擠壓加工成形，經(jīng)鍛造、擠壓后，力學(xué)性能可進(jìn)一步提高。總之，利用粉末冶金技術(shù)進(jìn)行鈦合金的工業(yè)化生產(chǎn)具有生產(chǎn)設(shè)備投入成本低、可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品近凈成形、節(jié)約原材料、產(chǎn)品性能高、生產(chǎn)周期短等優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：粉末冶金；鈦合金；工業(yè)化生產(chǎn)；力學(xué)性能

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作者/單位

作者：王海英，郭志猛，蘆博欣，張策

單位：北京科技大學(xué)

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通信作者簡(jiǎn)介

郭志猛（1959—），男，教授，博士生導(dǎo)師。現(xiàn)任北京科技大學(xué)粉末冶金研究所所長(zhǎng)。1982年畢業(yè)于北京鋼鐵學(xué)院獲學(xué)士學(xué)位；1982-1983年在桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院從事超硬材料科研工作；1986年獲北京科技大學(xué)碩士學(xué)位并留校任教；1993年獲北京科技大學(xué)博士學(xué)位。1994-1996年赴日本與東京工業(yè)大學(xué)聯(lián)合開展自蔓延高溫合成技術(shù)（SHS）的研究工作。主要研究方向有：1.自蔓延高溫合成（SHS） ；2.粉末冶金鈦合金 ；3.粉末冶金鋁合金 ；4.金屬3D冷打印技術(shù) ；5.******粉末冶金材料。

精要概覽

應(yīng)用粉末冶金技術(shù)是鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然

由于鈦是一種化學(xué)性質(zhì)非常活潑的金屬，在高溫下極易與氧、碳、氮反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)品性能顯著下降。當(dāng)熔煉溫度達(dá)到1 800 ℃以上時(shí)，會(huì)與氧化鋁、氧化鋯等幾乎所有的耐熱材料發(fā)生劇烈反應(yīng)，到目前為止還沒有哪一種材料能夠直接作為熔煉鈦的坩堝。可見，鈦熔煉對(duì)環(huán)境和設(shè)備的要求極高，生產(chǎn)成本難以降低。

粉末冶金技術(shù)在1909年就被用于制造電燈鎢絲。它克服了難熔金屬熔鑄過程中的困難，而鈦熔鑄過程中遇到的問題正是粉末冶金技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在，因此把粉末冶金技術(shù)應(yīng)用在鈦合金的生產(chǎn)上是鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然。在2008年國(guó)際鈦協(xié)會(huì)年會(huì)上就曾有專家提出，鈦合金粉末冶金將是未來(lái)鈦合金成形研究的熱點(diǎn)之一。國(guó)外在粉末冶金鈦的工藝、材料、性能研究等方面開展了一系列的工作。L.Bolzoni等通過對(duì)用不同粉末原料粉末冶金成形鈦合金的研究證明，利用傳統(tǒng)、廉價(jià)的單軸冷壓和燒結(jié)可直接獲得與鍛造鈦性能相當(dāng)?shù)拟伔勰┮苯鸺.P.Ng等通過對(duì)粉末成形工藝的研究，可以在1 100 ℃燒結(jié)4 h后，得到密度達(dá)到99.7%的TC4鈦合金件，其抗拉強(qiáng)度為1 036 MPa，延伸率為11.1%。Z.Z.Fang 等在一種低成本鈦合金生產(chǎn)方法的項(xiàng)目報(bào)告（由美國(guó)能源部的增材制造和能源效率與可再生能源辦公室提供的基金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)為DE-EE0005761）中提出，粉末冶金制備鈦合金的方法是一種可以與傳統(tǒng)的鍛造鈦合金工藝相媲美的切實(shí)可行的工藝，將會(huì)推進(jìn)汽車等行業(yè)對(duì)鈦的應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)西北有色金屬研究院、廣州有色金屬研究院、航天材料及工藝研究所、中南大學(xué)等院所單位在粉末冶金鈦合金制粉工藝、熱等靜壓（HIP）技術(shù)等方面的研究和生產(chǎn)上都開展了一系列研究工作，并取得了一定成果。但截止到目前粉末冶金鈦合金生產(chǎn)技術(shù)仍未能在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)應(yīng)用。

鈦合金粉末冶金工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)

（1）設(shè)備投入少粉末冶金生產(chǎn)工藝流程短，制造設(shè)備少，設(shè)備投入可根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模靈活配置，總投入資本可大可小，有利于鈦合金制造企業(yè)進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)型，提高效益。據(jù)估算，建成年產(chǎn)1萬(wàn)噸的鈦合金粉末冶金生產(chǎn)線僅需資金約1億人民幣。

（2）金屬利用率高利用粉末冶金生產(chǎn)工藝能夠?qū)崿F(xiàn)鈦合金的近凈成形，從而顯著提高原料利用率，節(jié)約原料成本。

（3）產(chǎn)品性能好檢測(cè)證明TC4鈦合金粉末冶金件性能高于國(guó)標(biāo)鍛件的性能指標(biāo)，無(wú)需進(jìn)行鍛造改性。

（4）生產(chǎn)成本低利用熔鍛方式生產(chǎn)鈦合金在經(jīng)過2～3次熔煉后，還需要經(jīng)過幾次鍛造改性。然而，如果以粉末冶金近凈成形的鈦合金件為坯料，只需一次終鍛成形即可得到***終鍛件，省去了鑄錠多次鐓拔的改性鍛造過程，這樣可以縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，顯著降低加工成本，對(duì)于新品開發(fā)、小批量生產(chǎn)等具有******的優(yōu)勢(shì)。大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)后，從制粉、成形到燒結(jié)的直接生產(chǎn)成本每噸僅約2萬(wàn)～3萬(wàn)元。

總之，鈦合金粉末冶金工業(yè)化生產(chǎn)①設(shè)備投入少，生產(chǎn)規(guī)模配置靈活；②工序少、工藝流程短，生產(chǎn)周期短，能耗低，污染少，是一項(xiàng)節(jié)能、環(huán)保的綠色生產(chǎn)技術(shù)；③成形件為近終形、少切削，材料利用率高，成本低，是降低鈦合金件價(jià)格的有效途徑；④產(chǎn)品性能可達(dá)到或超過航空用鍛件的******標(biāo)準(zhǔn)。因此，鈦合金粉末冶金工業(yè)化生產(chǎn)是我國(guó)鈦工業(yè)去產(chǎn)能、快速發(fā)展的必然選擇。

美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)在2013年就建立了鈦及鈦合金粉末冶金結(jié)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)（ASTM B988—2013），說(shuō)明鈦合金粉末冶金在國(guó)際上已開始工業(yè)化生產(chǎn)。2014年美國(guó)粉末冶金零部件的產(chǎn)值為22億美元，鈦粉末冶金零件為500萬(wàn)美元。近10多年來(lái)，我國(guó)在鈦合金粉末冶金生產(chǎn)技術(shù)方面打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上，積極推進(jìn)我國(guó)鈦合金粉末冶金產(chǎn)業(yè)化，對(duì)推廣鈦的應(yīng)用領(lǐng)域，做大中國(guó)鈦市場(chǎng)，促進(jìn)我國(guó)鈦產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展具有重要意義。

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北京科技大學(xué)粉末冶金研究所采用合金化粉末，經(jīng)過冷等靜壓成形、致密化燒結(jié)，可以得到各種形狀的粉末冶金鈦合金件，如圖所示。其中圖a為經(jīng)過局部車削的直徑80 mm×350 mm圓棒，圖b為汽車連桿燒結(jié)坯料，圖4c、d分別為碗形件（內(nèi)徑30 mm、壁厚10 mm）和球形件（直徑60 mm）。冷等靜壓可成形幾十公斤至幾百公斤，乃至上噸重的大尺寸坯料。

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采用防氧化包覆處理的TC4鈦合金粉末可以先在液壓機(jī)上用鋼模進(jìn)行軸向壓制成形，然后再進(jìn)行真空活化燒結(jié)，從而得到形狀復(fù)雜的鈦合金近形件，如圖所示。

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圖為TC4鈦合金粉末冶金件的顯微組織照片。可見組織細(xì)小均勻，由接近等軸晶的α相和細(xì)小β相組成，無(wú)完整原始β晶界，組織類型為網(wǎng)籃組織。

在多年的打拼中不斷完善，不斷改進(jìn)，不斷創(chuàng)新，在實(shí)踐中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)與掌握了特殊的加工工藝，無(wú)論從高精密機(jī)械樣機(jī)加工，高精密零件加工，高精密模型樣機(jī)加工，北京cnc數(shù)控加工，北京夾具工裝加工 ，尺寸精度還是外觀品質(zhì)都令客戶拍手。所做產(chǎn)品受到諸多國(guó)內(nèi)外知名企業(yè)的好評(píng)，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷東南亞。

引用本文

王海英，郭志猛，蘆博欣，等.鈦合金粉末冶金工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)[J].2017,34（1）：1-5.

相關(guān)文獻(xiàn)

[1] Bolzoni L, Ruiz-Navas E M,Gordo E. Powder metallurgy CP-Ti performances: Hydride dehydridevssponge[J]. Materials and Design, 2014, 60(11):226-232.

[2] 賈翃,逯福生,郝斌.2015年中國(guó)鈦工業(yè)發(fā)展報(bào)告[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,2016,33(2): 1-6.