钛及钛合金粉末制备及研究现状复习进程.docx

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钛及钛合金粉末制备及研究现状复习进程

钛及钛合金粉末制备及研究现状

钛和钛合金的制备技术研究及应用现状

摘要：

钛及钛合金综合力学性能优良，在航空航天、航海、化工等领域得到广泛应用。

用粉末冶金法制造零部件，材料利用率高，降低生产成本。

因此，高性能粉末冶金钛合金的研究与应用近年来非常活跃，对制备钛及钛合金粉末起到了很大的促进作用。

金属注射成形（MIM）技术是目前最具优势的粉末冶金成形技术之一，可制造高质量、高精度的复杂零件。

关键词：

钛及钛合金；粉末冶金；金属注射成形；研究与应用；

1、前言：

钛及钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀性强、高温下抗蠕变性能好、焊接性能优良、生物相容性优异等优点，被广泛应用于航空航天、航海、冶金、石油、化工、发电、汽车、医药、电子、体育及休闲等领域。

然而，由于钛的提取、熔炼、加工十分困难，因此生产成本很高。

钛锭的生产成本约为同质量钢锭的30倍，铝锭的6倍，而航空航天用的钛合金零部件因加工费昂贵，生产费用就更大了。

粉末冶金技术是一种由粉末直接成形，生产零部件的工艺方法。

从技术上看，用该方法可获得成分无偏析、性能稳定优越、组织均匀的零部件；从经济上看，该方法是一种少切屑或无切屑的工艺，材料利用率几乎可以达到100%，节省了加工费，提高了生产率

2、钛及钛合金粉末注射成形技术

金属注射成形方法是美国在20世纪70年代发明的，是生产形状复杂高精度零部件的近净形制造方法得到的烧结体密度高，强度也高。

其工艺流程为：

混合配料→注射成形→脱除粘结剂（简称脱脂）→烧结。

由于成形坯的受压过程是均匀等压压制过程，所以成形坯的力学性能是各向同性的。

我国钛及钛合金粉末注射成形研究始于20世纪90年代末。

主要研究单位有北京科技大学、广州有色金属研究院和中南大学等，并在纯钛及Ti-6Al-4V合金注射成形方面取得了一定科研成果，但仍未形成产业化生产。

钛及钛合金粉末注射成形产品主要有汽车零部件、医疗器械、牙科植入体、高尔夫球头和表壳等。

目前，纯钛、Ti-6Al-4V、TiA1、Ti-Mo-A1、NiTi和其它一些钛基材料粉末都已成功地采用了注射成形工艺来制造零部件。

钛及钛合金注射成形技术的主要阻碍有：

①低氧球形钛粉末的价格高；②粘结剂的选择和去除工艺；③间隙元素的去除等。

3、钛及钛合金粉末注射成形工艺

产品性能和尺寸精度是金属注射成形最终控制的指标。

产品性能的好坏以及尺寸精度的高低与原料、混炼、注射、脱脂、烧结等工艺过程有着密切的关系。

3.1粉末的制备

3.1.1纯钛粉

目前，注射成形用的纯钛粉的制造方法有:

氢化脱氢法和气体雾化。

氢化脱氢粉的特点是粉末为形状不规则的细粉，比表面积大，氧含量高。

而气体雾化粉的形状为球形，与形状不规则的氢化脱氢粉相比，其流动性和充填性好，表面积小，制备过程的污染小，氧含量低，如果添加一定量的氢化脱氢粉可进一步改善成形性，是钛注射成形主要的原料粉末。

3.1.2钛合金粉

注射成形用的钛合金粉末的制备方法主要有:

元素粉末混合法和预合金化法。

元素粉末混合法是将元素粉末按合金的成分配比混合，制得合金粉。

为了提高该合金粉末的成形性，可在氢化脱氢纯钛粉中混入一定比例的气体雾化粉。

此方法制备合金粉末价格相对低廉。

预合金化粉制备方法中气体雾化法是能够进行批量生产的廉价方法。

元素粉末混合法生产的合金粉末相对预合金化粉末价格低廉，容易成形，且工艺成熟，因此，有着更为广泛的市场前景。

3.2粘结剂的选择和混炼

3.2.1粘结剂的选择

选择合适的粘结剂是注射成形的关键环节，它直接影响着混合、注射成形、脱脂等工序,对注射成形坯的质量、脱脂及尺寸精度等有很大的影响。

钛及钛合金粉末注射成形用的粘结剂，可在水中或有机溶剂中溶解，有的粘结剂还添加了催化剂，加快了粘结剂的分解。

粘结剂用量对成形质量影响很大。

粘结剂不足时导致成形困难；粘结剂过多时会降低喂料的粘度。

粘结剂一般占喂料总量的40%～50%（质量分数）,最终通过热解去除。

3.2.2混炼

混料也是比较关键的工序。

混料过程中产生缺陷在以后的工序中很难消除,因此对混料提出了要求:

①均匀、流动性好,以确保均匀的收缩和变形。

②要求在保证有效成形的条件,具有最大的粉末装载量,以保证烧结过程中的收缩量最小,避免由此引起的工序缺陷出现。

粉末充填量对注射成形工艺和热脱脂过程有一定的影响。

粉末充填量过多过少均不利，因此,从脱粘及保持形状方面考虑,充填量应尽量大一些。

混料过程中,混合速度升高,混料的均匀性提高。

但速度太快,会使混合料的温度升高,这对低熔点组元的粘结剂是有害的。

另外，粉末与粘结剂的亲和性能。

粘结剂和喂料在各种条件下的流变性能及热力学性能粘结剂对脱脂及产品性能的影响，以及开发新型高效、适合钛及钛合金用的粘结剂，是今后钛及钛合金粉末注射成形件的重要研究内容。

3.3注射成形

注射成形工序是将混合好的物料注射成形为所需形状的无缺陷坯料。

由于注射成形过程所形成的缺陷在后续工艺中无法消除，因此，该步骤要严格控制。

采用计算机模拟喂料及充填模具过程，优化注射成形条件参数，是目前消除注射成形缺陷较为先进的手段，也是未来的发展趋势。

注射成形关键环节之一是有关成形的各项设计，其中包括产品设计和模具设计。

尽管目前生产的产品在改进精度方面已取得了长足进步，然而，大多数设计特别是模具设计还是凭经验进行，缺乏理论依据，且CAD系统难以很好地应用于金属注射成形。

北京科技大学郭世柏等人通过实验研究得出,影响注射成形生坯质量的主要因素有:

①模具设计合理与否；②注射成形过程工艺参数（注射压力、注射温度、注射速度和模具温度）。

要获得理想的注射成形生坯，必须对模具设计和注射成形参数进行优化。

3.4脱脂和烧结

粘结剂脱除即脱脂最费时、最难控制，是金属注射成形工艺中最重要的环节，也是阻碍金属注射成形工艺技术发展的难题。

脱脂工艺对于保证产品质量极为重要。

钛及钛合金常用的脱脂方法有热脱脂、溶剂脱脂、催化脱脂及超临界流体萃取等。

烧结是金属注射成形工艺中最后一道工序，起着使产品致密化和化学性质均匀的作用。

烧结条件（如温度、气氛、升温速度等）影响产品的性能和精度。

由于金属粉末注射成形采用了大量的粘结剂，烧结时收缩非常大，线收缩率一般达到12%～18%。

因此，变形控制和尺寸精度控制至关重要。

另外，加热过程中的气体反应以及残留的聚合物与粉末杂质反应等，特别是后者在孔隙中影响注射成形产品的致密化。

。

烧结钛及钛合金要用经过严格脱水和净化的氢气，最好是在真空或惰性气氛中进行。

在钛及钛合金的烧结过程中，固定器和填料也很关键，若使用AlO3，在比较高的温度烧结会增加氧含量，推荐使用。

4、研究现状与应用

目前，钛合金已经广泛应用于航空航天、船舰、汽车、化工及石化等领域，有着十分广阔的应用前景。

譬如，2003－2007年，我国海绵钛产量从几千吨增加到6000t以上，2013年我国钛加工材产量虽然比2012年下降了约13％，但仍达4453ｔ。

就潜力而言，钛合金将更加广泛地应用于民用工业，特别是汽车、医疗器械、生物移植物等受到了充分重视。

目前，车用钛合金主要用于发动机气门、连杆、曲轴及弹簧等。

然而，对于民用领域，钛合金价格方面必须首要考虑。

生产低成本、高性能钛及钛合金粉末注射成形件的主要途径和研究方向是:

①使用价格低廉的氢化脱氢粉和气体雾化粉混合得到的钛及钛合金粉作为注射成形的原料粉末；②开发新型高效的钛及钛合金粉末注射成形用的粘结剂体系；③优化混炼工艺；④优化注射条件参数以消除注射缺陷；⑤开发先进的脱脂工艺，缩短脱脂时间并减少脱脂缺陷，以降低成本；⑥研究烧结工艺，控制产品尺寸精度，提高产品性能。

通过优化金属注射成形工艺加大产品的尺寸，研究超小型零件的注射成形是扩大钛及钛合金粉末注射成形产品应用的重要途径。

5、结束语

随着粉末冶金钛合金技术在生物医用和航空航天等高新技术领域中得到越来越广泛的应用，未来研究的重点集中在球形钛及钛合金粉末制备工艺上。

并且随着3D打印和粉末注射成形技术不断得到应用，球形粉末需求的增长会非常快。

未来钛及钛合金粉末制备技术的研究重点还在如何降低粉末杂质含量，降低生产成本等。

参考文献：

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[2]邹黎明,谢焕文,刘辛等.钛及钛合金粉末制备技术的研究及应用现状[J].材料研究与应用,2015,04:

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[3]梁永仁,吴引江.3D打印用钛及钛合金球形粉末制备技术[J].世界有色金属,2016,12:

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