內容導讀

通過分析鈦在熔煉中遇到的問題，并結合粉末冶金技術的特點，指出應用粉末冶金技術是未來鈦產業(yè)發(fā)展的必然選擇。詳述了鈦合金粉末冶金生產的工藝路線，該工藝生產的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%，綜合力學性能優(yōu)于GB/T 25137—2010鈦及鈦合金鍛件標準要求。鈦合金粉末冶金件還可用來進行鍛造和擠壓加工成形，經鍛造、擠壓后，力學性能可進一步提高?？傊梅勰┮苯鸺夹g進行鈦合金的工業(yè)化生產具有生產設備投入成本低、可實現產品近凈成形、節(jié)約原材料、產品性能高、生產周期短等優(yōu)勢。

關鍵詞：粉末冶金；鈦合金；工業(yè)化生產；力學性能

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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

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通信作者簡介

郭志猛（1959—），男，教授，博士生導師?，F任北京科技大學粉末冶金研究所所長。1982年畢業(yè)于北京鋼鐵學院獲學士學位；1982-1983年在桂林礦產地質研究院從事超硬材料科研工作；1986年獲北京科技大學碩士學位并留校任教；1993年獲北京科技大學博士學位。1994-1996年赴日本與東京工業(yè)大學聯合開展自蔓延高溫合成技術（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 ；5.******粉末冶金材料。

精要概覽

應用粉末冶金技術是鈦產業(yè)發(fā)展的必然

由于鈦是一種化學性質非?；顫姷慕饘?，在高溫下極易與氧、碳、氮反應，導致產品性能顯著下降。當熔煉溫度達到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，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?，鈦熔煉對環(huán)境和設備的要求極高，生產成本難以降低。

粉末冶金技術在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的優(yōu)勢所在，因此把粉末冶金技術應用在鈦合金的生產上是鈦產業(yè)發(fā)展的必然。在2008年國際鈦協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可直接獲得與鍛造鈦性能相當的鈦粉末冶金件。H.P.Ng等通過對粉末成形工藝的研究，可以在1 100 ℃燒結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)對鈦的應用。

國內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、中南大學等院所單位在粉末冶金鈦合金制粉工藝、熱等靜壓（HIP）技術等方面的研究和生產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技術仍未能在國內實現規(guī)?；a應用。

鈦合金粉末冶金工業(yè)化生產的優(yōu)勢

（1）設備投入少粉末冶金生產工藝流程短，制造設備少，設備投入可根據生產規(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)進行技術轉型，提高效益。據估算，建成年產1萬噸的鈦合金粉末冶金生產線僅需資金約1億人民幣。

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

（3）產品性能好檢測證明TC4鈦合金粉末冶金件性能高于國標鍛件的性能指標，無需進行鍛造改性。

（4）生產成本低利用熔鍛方式生產鈦合金在經過2～3次熔煉后，還需要經過幾次鍛造改性。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，這樣可以縮短產品的生產周期，顯著降低加工成本，對于新品開發(fā)、小批量生產等具有******的優(yōu)勢。大規(guī)模工業(yè)化生產后，從制粉、成形到燒結的直接生產成本每噸僅約2萬～3萬元。

總之，鈦合金粉末冶金工業(yè)化生產①設備投入少，生產規(guī)模配置靈活；②工序少、工藝流程短，生產周期短，能耗低，污染少，是一項節(jié)能、環(huán)保的綠色生產技術；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產品性能可達到或超過航空用鍛件的******標準。因此，鈦合金粉末冶金工業(yè)化生產是我國鈦工業(yè)去產能、快速發(fā)展的必然選擇。

美國材料實驗協會在2013年就建立了鈦及鈦合金粉末冶金結構件標準（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。2014年美國粉末冶金零部件的產值為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技術方面打下了堅實的基礎，在此基礎上，積極推進我國鈦合金粉末冶金產業(yè)化，對推廣鈦的應用領域，做大中國鈦市場，促進我國鈦產業(yè)健康有序發(fā)展具有重要意義。

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北京科技大學粉末冶金研究所采用合金化粉末，經過冷等靜壓成形、致密化燒結，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為經過局部車削的直徑80 mm×350 mm圓棒，圖b為汽車連桿燒結坯料，圖4c、d分別為碗形件（內徑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，從而得到形狀復雜的鈦合金近形件，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，組織類型為網籃組織。

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引用本文

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

相關文獻

[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.