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1、粉末冶金钛合金的制备喻岚,李益民,邓忠勇,李笃信(中南大学粉末冶金国家重点实验室,河南长沙410083)中图分类号:TG146.2+3 文献标识码:B 文章编号:10021752(2003)09004305 钛合金是20世纪中期发展起来的一种重要金属,由于其具有密度低、比强度高、耐蚀性好、耐热性高、无磁、焊接性能好等优良性能,受到人们的广泛关注。在50年代由粉末冶金法制取块状钛制品很流行,然而随着熔炼技术的发展,人们开始采用真空电弧炉熔炼和铸造的方法进行生产〔1〕,钛及其合金的粉末冶金没能实现工业化。但是熔炼铸造法对材料
2、的利用率不高,导致钛合金的生产成本很高,因此它们只能应用于航空航天业和化工业等性能因素占主导地位的领域。到了上世纪60年代后期,美国、日本等国家再次对钛合金的粉末冶金方法进行研究,提高了钛制品的成品率,缩短了工艺过程,生产出的零件不需要机加工或是只需很少的机加工,从而使得成本下降。近年来,钛业界正在朝着开发成本低且性能高的新合金方向发展,努力使钛进入到具有巨大市场潜力的民用工业,如生物医学、汽车、纺织、生活用品等各个领域。高密度的钛粉末冶金制品应用很广泛,如弹簧、螺钉、齿轮、植入人体的植入物、手术器械、高尔夫球杆头、自行车
3、、钓鱼用具、手表、眼镜架等〔2〕。降低原材料钛粉的成本,降低钛合金产品的制造、加工成本成为钛合金生产的关键所在。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性。相继对其进行研究开发,并用于本国的建设中。美国日本研制出使用铁代替钒的钛合金;美国Daido公司与日本Honda公司联合开发一出种易于加工的钛合金Ti-3Al-2.5V+硫化稀土〔3〕;此外开发低成本的生产工艺如永久模铸造法和粉末冶金法等。钛合金的制备方法有多种,有铸造成形〔4〕、激光成形〔5〕及粉末冶金成形,本文介绍了采用传统粉末冶金方法(P/M)和金属注射成形(MIM
4、)方法生产钛合金零件的过程。1 钛粉的制备1.1 还原法还原法制钛粉有TiO2钙热还原法和TiCl4金属热还原法。TiO2钙热还原法法采用金属钙为还原剂,在高温下还原TiO2制取钛粉。TiCl4金属热还原法包括Na还原法和Mg还原法(克劳尔法)。钛粉的价格直接影响着钛合金的价格。克劳尔(kroll)工艺生产钛粉的方法成本较低。是通过TiCl4与Mg发生还原反应生成海绵钛实现的。Ti与O、H、C和N元素之间的活性极高,这些元素的存在会降低钛合金的硬度和强度。将海绵钛球磨后,可以得到氯含量和氧含量(≌2%)相对较少的不规则形状
5、钛粉。海绵钛粉的韧性很低,只能用于低温状态,适用于成本较低的钛合金生产。由于海绵钛的孔隙度大、粉末粒度也大,含氯量高,因而不能应用于对产品性能要求高的领域。1.2 旋转电极法熔融钛的活性很大,一般不采用直接气雾化或水雾化制粉,而通过旋转电极法(REP)制得。在这一过程中,将海绵钛(或残钛)棒置于惰性气氛下,对其通过电子束或是真空电弧熔炼,借助高速气流或机械力使熔融金属钛雾化,实质上也就是利用离心力将熔融钛雾化成粉,冷凝后可以得到高纯度球形钛粉〔5〕。旋转雾化包括旋转电极法(REP)、等离子旋转电极法(PREP)和电子束旋转
6、盘法(EBRD)等,通常的旋转电极粉末指用等离子旋转电极法(PREP)制造的粉末,粉末为球形,较为致密,粒度分布较窄,可通过旋转电极的转速调整粉末粒度,通常转速为35m/s时纯钛粉的粒度为150～250μm〔6〕。以采用旋转电极法生产的钛粉为原料可以制得相对密度高、机械性能好的钛合金部件。但采用此法生产的钛粉成本相当高,所以一般只能用在最注重性能因素的航天航空领域〔7〕。1.3 氢化-脱氢法纯度较高的海绵钛在常温常压下比较软而且韧性较大,要直接将其粉碎制钛粉比较困难;而钛的氢化物容易破碎〔8〕,因此美国、日本、德国、荷兰等
7、国家利用钛在一定高温下能快速地吸收大量氢气生产氢化钛,使具有韧性的海绵钛变脆的特性,经破碎后的真空高温下脱氢制得钛粉。这种方法就是氢化-脱氢(HDH)法,它特别适用于钛、锆、铌这一类金属,因为这些金属在高温下能大量地吸氢,而常温时的吸氢能力却相当低〔9〕。氢化过程为放热反应,当温度约为350℃时反应最剧烈,产物增重到大约4%时即可停止反应。吸氢后冷却时将生成脆性高的氢化物,常温下这些氢化物极易被破碎。由于粉末状的氢化钛活性很大,为了防止被污染和确保生产安全及防火,粉碎要在惰性气体保护下于密封的装置中进行。在高真空度下将氢化
8、物加热,可以脱出氢气得到钛粉。脱氢过程为吸热反应,一般要把氢化钛加热至500℃以上才能进行。细的氢化钛粉因在高温脱氢过程中容易烧结成块,需根据脱氢原料的粒度选择适当温度。HDH方法对钛粉没有净化作用,所以要制得高纯度钛粉,要求原料海绵钛的纯度也较高,一般氧含量应小于0.1%。在生产过程中,为防止氧和氮气
