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，指出應(yīng)用粉末冶金技術(shù)是未來鈦產(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度可達900 MPa以上，斷后伸長率超過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進行鍛造和擠壓加工成形，經(jīng)鍛造、擠壓后，力學(xué)性能可進一步提高。總之，利用粉末冶金技術(shù)進行鈦合金的工業(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。

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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通信作者簡介

郭志猛（1959—），男，教授，博士生導(dǎo)師?，F(xiàn)任北京科技大學(xué)粉末冶金研究所所長。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?；顫姷慕饘?，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)熔煉溫度達到1 800 ℃以上時，會與氧化鋁、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?？梢姡伻蹮拰Νh(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年國際鈦協(xié)會年會上就曾有專家提出，鈦合金粉末冶金將是未來鈦合金成形研究的熱點之一。國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?。H.P.Ng等通過對粉末成形工藝的研究，可以在1 100 ℃燒結(jié)4 h后，得到密度達到99.7%的TC4鈦合金件，其抗拉強度為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)方法的項目報告（由美國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目，項目編號為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可行的工藝，將會推進汽車等行業(yè)對鈦的應(yīng)用。

國內(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)仍未能在國內(nèi)實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)應(yīng)用。

鈦合金粉末冶金工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)勢

（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)進行技術(shù)轉(zhuǎn)型，提高效益。據(jù)估算，建成年產(chǎn)1萬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)品性能好檢測證明TC4鈦合金粉末冶金件性能高于國標(biāo)鍛件的性能指標(biāo)，無需進行鍛造改性。

（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，對于新品開發(fā)、小批量生產(chǎn)等具有******的優(yōu)勢。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2萬～3萬元。

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，是降低鈦合金件價格的有效途徑；④產(chǎn)品性能可達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)是我國鈦工業(yè)去產(chǎn)能、快速發(fā)展的必然選擇。

美國材料實驗協(xié)會在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），說明鈦合金粉末冶金在國際上已開始工業(yè)化生產(chǎn)。2014年美國粉末冶金零部件的產(chǎn)值為22億美元，鈦粉末冶金零件為500萬美元。近10多年來，我國在鈦合金粉末冶金生產(chǎn)技術(shù)方面打下了堅實的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上，積極推進我國鈦合金粉末冶金產(chǎn)業(yè)化，對推廣鈦的應(yīng)用領(lǐng)域，做大中國鈦市場，促進我國鈦產(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上用鋼模進行軸向壓制成形，然后再進行真空活化燒結(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?？梢娊M織細小均勻，由接近等軸晶的α相和細小β相組成，無完整原始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，不斷創(chuàng)新，在實踐中積累了豐富的經(jīng)驗與掌握了特殊的加工工藝，無論從高精密機械樣機加工，高精密零件加工，高精密模型樣機加工，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)品受到諸多國內(nèi)外知名企業(yè)的好評，產(chǎn)品遠銷東南亞。

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

[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年中國鈦工業(yè)發(fā)展報告[J].鈦工業(yè)進展,2016,33(2): 1-6.