资源描述：
《粉末冶金钛合金的制备(论文资料)》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
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
2、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、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
3、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)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
4、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
5、(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
6、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
7、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
