[科普中國]-粉末鈦合金

粉末鈦合金是將冶煉合格的鈦合金液態(tài)金屬采用霧化、旋轉(zhuǎn)電極或真空減壓霧化成粉，經(jīng)熱擠壓成棒、熱等靜壓成鈦合金渦輪盤、飛機龍骨接頭、海水淡化裝置制成的材料。

鈦及其合金的比強度高、中溫熱強性好、耐腐蝕且資源豐富，因而在航空、化工、冶金、醫(yī)療，海洋工程等領(lǐng)域應用很廣泛，鈦及其合金已成為飛機發(fā)動機的主要金屬結(jié)構(gòu)用材。

發(fā)展歷程鈦的冶煉和加工困難，零件制造費用高。20世紀40年代末出現(xiàn)鈦粉末冶金技術(shù)，在一-定程度上緩和了鈦制品加工的困難。直到20世紀60年代中期，鈦粉末冶金工藝才取得大的進展，在降低材料消耗和零件制造成本方面取得了顯著的成果。

鈦是熔點高、活性大的輕金屬，不能由礦石冶煉獲得。生產(chǎn)金屬鈦是以天然或人造金紅石(TiO2)為原料，采用金屬熱還原或熔鹽電解方法制成海綿鈦，再經(jīng)真空電弧熔煉成錠。1946年出現(xiàn)了由海綿鈦直接制得的致密金屬鈦-韌性鈦，它是將海綿鈦先破碎成粉末，再經(jīng)冷壓和燒結(jié)而成的，這實際上就是鈦的粉末冶金方法。當時粉末鈦的性能不高，主要是由于孔隙和非金屬夾雜的影響，但是由它制成的過濾器卻十分耐用。因此，鈦過濾器材料作為第一代鈦粉末合金產(chǎn)品一直使用。

在出現(xiàn)真空自耗電極電弧熔煉工藝以后，常規(guī)鈦粉末冶金工藝才被淘汰。20世紀60年代中期，應用旋轉(zhuǎn)電極霧化法制成了鈦合金粉，并采用HIP致密化工藝，粉末鈦合金的性能得到顯著提高。近凈成形工藝(NNSP)粉末鈦成功地應用并推廣，大大降低了鈦零件的制造成本，使得粉末鈦合金的應用日益擴大，受到宇航，航空等新型工業(yè)部門的日益關(guān)注。1

鈦合金體系20世紀50年代初鈦及其熔煉合金在工業(yè)上開始得到應用，到1972年，世界上大約有30種牌號的鈦合金，而其中8種主要牌號的純鈦及鈦合金又占了銷售總額的90%。它們包括3個等級的工業(yè)純鈦和Ti-5A1-2.5Sn、Ti-6Al-4V、Ti-8Al-Mo-V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-13V-11Cr-3Al。 后來出現(xiàn)了著名的Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo(也可再添加0.2%Si)變形合金，再后來又出現(xiàn)了Ti-10V-2Fe-3Al鈦合金，以及超導鈦合金Ti-50Nb。

粉末鈦合金的強化燒結(jié)鈦合金粉末的燒結(jié)通常是固相擴散方式。采用混合元素法制備鈦合金時，發(fā)現(xiàn)鈦合金中的合金元素會在燒結(jié)時出現(xiàn)瞬時液相或提供擴散通道，促進致密化過程，也稱為強化燒結(jié)。

強化燒結(jié)過程的實現(xiàn)依賴三個基本條件，即溶解度判據(jù)、偏析判據(jù)和擴散判據(jù)。通常，基體在添加劑中應：具有大的溶解度，或者形成中間化合物，而添加劑在基體的溶解度應很小，這主要歸因于：①添加劑在基體的溶解度小會導致添加劑在粉末顆粒問界面上析出，有利于基體的擴散；②添加劑在基體的溶解度小可以減少維持強化燒結(jié)的添加劑的需要量。而且，強化燒結(jié)的致密化過程是基體向添加劑擴散的過程，這種擴散有利于燒結(jié)頸的快速長大與消除孔隙。若添加劑在基體中的溶解度大，將會產(chǎn)生與前者相反的擴散，出現(xiàn)Kirkendall效應，孔隙度增加，導致燒結(jié)體膨脹。

其次，燒結(jié)過程中添加劑能在粉末顆粒間界面析出，而且能在整個燒結(jié)過程保持。這種析出使得粉末顆粒間的擴散接觸面富集添加劑。因此，提供了基體快速擴散的通道。這種析出特征反應在基體與添加元素相圖上液相線和固相線不斷下降。當滿足溶解度標準和析出標準時，添加劑的強化燒結(jié)效果就取決于其對基體物質(zhì)擴散速率的影響，物質(zhì)擴散速率越快，強化燒結(jié)效果越好。2

應用(1)由處理過的純海綿鈦粉經(jīng)冷壓-真空燒結(jié)制造耐腐蝕的一般零件。航空業(yè)應用鈦粉燒結(jié)成的零部件已經(jīng)相當成熟。純海綿鈦粉或合金粉直接軋制成多孔鈦或致密鈦板，前者可以卷焊成多孔管用作過濾器。

(2)以鈦粉和鋁粉為原料，元素粉燒結(jié)的方法生產(chǎn)TiAI合金靶材。在電子領(lǐng)域，要求使用能達到高真空度的鈦吸氣材料，通常使用表面積較大的HDH鈦粉生產(chǎn)這種吸氣材料。

(3)鈦合金粉末經(jīng)冷等靜壓成形和真空燒結(jié)成壞，再經(jīng)鍛造或軋制獲得各種型材，這類鈦合金型材有著廣泛的用途。

(4)預合金粉末HIP直接成形，制造高強度鈦合金產(chǎn)品。

(5)用預合金粉直接HIP成形為零件，用于中溫的航空發(fā)動機的零件或?qū)IP坯再熱加成材，以制造用于飛機上的承力構(gòu)件。

(6)元素混合、真空燒結(jié)后熱等靜壓制作的發(fā)動機連桿在汽車發(fā)動機中得到廣泛應用，粉未冶金進排氣門在汽車行業(yè)應用也非常普遍。1

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

任毅如 - 副教授 - 湖南大學