粉末冶金鈦合金的制備

1、粉末冶金鈦合金的制備喻嵐李益民鄧忠勇李篤信(中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室河南長(zhǎng)沙410083)中圖分類(lèi)號(hào):TG146.23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):10021752(2003)09004305鈦合金是20世紀(jì)中期發(fā)展起來(lái)的一種重要金屬由于其具有密度低、比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高、無(wú)磁、焊接性能好等優(yōu)良性能受到人們的廣泛關(guān)注。在50年代由粉末冶金法制取塊狀鈦制品很流行然而隨著熔煉技術(shù)的發(fā)展人們開(kāi)始采用真空電弧爐熔煉和鑄造的方法進(jìn)行生產(chǎn)〔

2、1〕鈦及其合金的粉末冶金沒(méi)能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。但是熔煉鑄造法對(duì)材料的利用率不高導(dǎo)致鈦合金的生產(chǎn)成本很高因此它們只能應(yīng)用于航空航天業(yè)和化工業(yè)等性能因素占主導(dǎo)地位的領(lǐng)域。到了上世紀(jì)60年代后期美國(guó)、日本等國(guó)家再次對(duì)鈦合金的粉末冶金方法進(jìn)行研究提高了鈦制品的成品率縮短了工藝過(guò)程生產(chǎn)出的零件不需要機(jī)加工或是只需很少的機(jī)加工從而使得成本下降。近年來(lái)鈦業(yè)界正在朝著開(kāi)發(fā)成本低且性能高的新合金方向發(fā)展努力使鈦進(jìn)入到具有巨大市場(chǎng)潛力的民用工業(yè)如生物醫(yī)學(xué)、汽車(chē)、

3、紡織、生活用品等各個(gè)領(lǐng)域。高密度的鈦粉末冶金制品應(yīng)用很廣泛如彈簧、螺釘、齒輪、植入人體的植入物、手術(shù)器械、高爾夫球桿頭、自行車(chē)、釣魚(yú)用具、手表、眼鏡架等〔2〕。降低原材料鈦粉的成本降低鈦合金產(chǎn)品的制造、加工成本成為鈦合金生產(chǎn)的關(guān)鍵所在。世界上許多國(guó)家都認(rèn)識(shí)到鈦合金材料的重要性。相繼對(duì)其進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)并用于本國(guó)的建設(shè)中。美國(guó)日本研制出使用鐵代替釩的鈦合金美國(guó)Daido公司與日本Honda公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)一出種易于加工的鈦合金Ti3Al2.5V硫

4、化稀土〔3〕此外開(kāi)發(fā)低成本的生產(chǎn)工藝如永久模鑄造法和粉末冶金法等。鈦合金的制備方法有多種有鑄造成形〔4〕、激光成形〔5〕及粉末冶金成形本文介紹了采用傳統(tǒng)粉末冶金方法(PM)和金屬注射成形(MIM)方法生產(chǎn)鈦合金零件的過(guò)程。1鈦粉的制備1.1還原法還原法制鈦粉有TiO2鈣熱還原法和TiCl4金屬熱還原法。TiO2鈣熱還原法法采用金屬鈣為還原劑在高溫下還原TiO2制取鈦粉。TiCl4金屬熱還原法包括Na還原法和Mg還原法(克勞爾法)。鈦粉的

5、價(jià)格直接影響著鈦合金的價(jià)格?？藙跔?kroll)工藝生產(chǎn)鈦粉的方法成本較低。是通過(guò)TiCl4與Mg發(fā)生還原反應(yīng)生成海綿鈦實(shí)現(xiàn)的。Ti與O、H、C和N元素之間的活性極高這些元素的存在會(huì)降低鈦合金的硬度和強(qiáng)度。將海綿鈦球磨后可以得到氯含量和氧含量(≌2%)相對(duì)較少的不規(guī)則形狀鈦粉。海綿鈦粉的韌性很低只能用于低溫狀態(tài)適用于成本較低的鈦合金生產(chǎn)。由于海綿鈦的孔隙度大、粉末粒度也大含氯量高因而不能應(yīng)用于對(duì)產(chǎn)品性能要求高的領(lǐng)域。1.2旋轉(zhuǎn)電極法熔融

6、鈦的活性很大一般不采用直接氣霧化或水霧化制粉而通過(guò)旋轉(zhuǎn)電極法(REP)制得。在這一過(guò)程中將海綿鈦(或殘鈦)棒置于惰性氣氛下對(duì)其通過(guò)電子束或是真空電弧熔煉借助高速氣流或機(jī)械力使熔融金屬鈦霧化實(shí)質(zhì)上也就是利用離心力將熔融鈦霧化成粉冷凝后可以得到高純度球形鈦粉〔5〕。旋轉(zhuǎn)霧化包括旋轉(zhuǎn)電極法(REP)、等離子旋轉(zhuǎn)電極法(PREP)和電子束旋轉(zhuǎn)盤(pán)法(EBRD)等通常的旋轉(zhuǎn)電極粉末指用等離子旋轉(zhuǎn)電極法(PREP)制造的粉末粉末為球形較為致密粒度分布

7、較窄可通過(guò)旋轉(zhuǎn)電極的轉(zhuǎn)速調(diào)整粉末粒度通常轉(zhuǎn)速為35ms時(shí)純鈦粉的粒度為150～250μm〔6〕。以采用旋轉(zhuǎn)電極法生產(chǎn)的鈦粉為原料可以制得相對(duì)密度高、機(jī)械性能好的鈦合金部件。由于鈦合金難于加工普通的鍛造、切削加工方法材料利用率低且制造成本較高因而發(fā)展了粉末冶金成形方法。Ti6Al4V合金是鈦合金是較典型的合金下面就介紹一下采用粉末冶金的元素混合法生產(chǎn)Ti6Al4V的過(guò)程。原料鈦粉可以采用海綿鈦(SP)和HDH鈦粉。海綿鈦粉的發(fā)展較HDH鈦

8、粉要早但其氯含量高在燒結(jié)產(chǎn)品中易形成孔洞而HDH鈦粉含氯量低因此HDH粉的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛?，F(xiàn)在許多原料粉末生產(chǎn)廠家已致力于生產(chǎn)價(jià)格較低、氧含量相對(duì)較少的HDH鈦粉〔15〕。原料粉末的特性見(jiàn)表1。將粉末混煉、壓制后在真空度為103Pa、溫度為1260℃下燒結(jié)4h爐冷至室溫。燒結(jié)過(guò)程中應(yīng)盡量避免氧化以提高燒結(jié)產(chǎn)品的延伸率〔16〕。表1PM法制備Ti6Al4V合金的原料粉末的特性特性規(guī)格平均粒度形狀Ti粉100目149μm不規(guī)則AlV預(yù)合

9、金粉325目44μm不規(guī)則此外如果在Ti6Al4V合金中添加少量的元素如Fe、Mo等能提高合金的延展性和燒結(jié)產(chǎn)品的力學(xué)性能。采用海綿鈦粉(SP)和HDH鈦粉分別制得的Ti6Al4V合金和Ti4.5Al2Fe2Mo合金的性能見(jiàn)表2。表2Ti6Al4V和Ti4.5Al3V2Fe2Mo合金的燒結(jié)特性(PM)合金鈦粉相對(duì)密度%抗拉強(qiáng)度MPa屈服強(qiáng)度MPa延伸%Ti6Al4VSP99.69418431897.59128048HDH99.69268

10、091997.795483312Ti4.5Al3V2Fe2MoSP99.810109222098.510009028HDH99.69988902098.5100090214鈦無(wú)毒、質(zhì)輕且鈦合金的強(qiáng)度大于其它移植材料并有著良好的生物兼容性和耐蝕性因此鈦合金是非常理想的醫(yī)用金屬材料可用作植入人體的植入物和手術(shù)器械以及用于牙科和整形外科領(lǐng)域。在鈦材中純鈦和Ti6Al4V合金是使用得最多的移植材料。但由于在Ti6Al4V合金中存在元素的細(xì)胞毒性

11、問(wèn)題近年來(lái)人們研制出了一些具有更好生物兼容性的無(wú)釩鈦合金如Ti6Al7Nb通過(guò)使用元素混合法和預(yù)合金法生產(chǎn)出了性能優(yōu)良的鈦合金產(chǎn)品其硬度值在370～400HV之間而熱鍛坯件的硬度值一般為350HV左右〔17〕。由此可見(jiàn)鈦合金粉末冶金制品的機(jī)械性能、化學(xué)特性與熔煉鈦材大體相同從使用角度來(lái)看凡使用熔煉鈦材的地方都可以使用鈦合金的粉末冶金制品。采用粉末冶金方法制造出的機(jī)械零件少切削或無(wú)切削可以大量機(jī)加工節(jié)約金屬材料提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。但用傳統(tǒng)粉末