粉末冶金鈦合金的制備(論文資料)

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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)粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南長沙410083)中圖分類號(hào):TG146.2+3?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,人們開始采用真空電弧爐熔煉和鑄造的方法進(jìn)行生產(chǎn)〔1〕,鈦及其合金的粉末冶金沒能實(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

2、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、日本等國家再次對(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,鈦業(yè)界正在朝著開發(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、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、釣魚用具、手表、眼鏡架等〔2〕。降

3、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)行研究開發(fā),并用于本國的建設(shè)中。美國日本研制出使用鐵代替釩的鈦合金;美國Daido公司與日本Honda公司聯(lián)合開發(fā)一出種易于加工的鈦合金Ti-3Al-2.5V+硫化稀土〔3〕;此外開發(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(P/M)和金屬注射成形(MIM)方法生產(chǎn)鈦合金零件的過程。1?鈦粉的制備1.1?還原

4、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)。鈦粉的價(jià)格直接影響著鈦合金的價(jià)格。克勞爾(kroll)工藝生產(chǎn)鈦粉的方法成本較低。是通過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)。

5、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,而通過旋轉(zhuǎn)電極法(REP)制得。在這一過程中,將海綿鈦(或殘鈦)棒置于惰性氣氛下,對(duì)其通過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

6、形,較為致密,粒度分布較窄,可通過旋轉(zhuǎn)電極的轉(zhuǎn)速調(diào)整粉末粒度,通常轉(zhuǎn)速為35m/s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。但采用此法生產(chǎn)的鈦粉成本相當(dāng)高,所以一般只能用在最注重性能因素的航天航空領(lǐng)域〔7〕。1.3?氫化-脫氫法純度較高的海綿鈦在常溫常壓下比較軟而且韌性較大,要直接將其粉碎制鈦粉比較困難;而鈦的氫化物容易破碎〔8〕,因此美國、日本、德國、荷蘭等國家利用鈦在一定高溫下能快速地吸收大量氫氣生產(chǎn)氫化鈦,使具有韌性的海綿鈦?zhàn)兇嗟奶匦?經(jīng)破碎后的真空高溫下脫氫

7、制得鈦粉。這種方法就是氫化-脫氫(HDH)法,它特別適用于鈦、鋯、鈮這一類金屬,因?yàn)檫@些金屬在高溫下能大量地吸氫,而常溫時(shí)的吸氫能力卻相當(dāng)?shù)汀?〕。氫化過程為放熱反應(yīng),當(dāng)溫度約為350℃時(shí)反應(yīng)最劇烈,產(chǎn)物增重到大約4%時(shí)即可停止反應(yīng)。吸氫后冷卻時(shí)將生成脆性高的氫化物,常溫下這些氫化物極易被破碎。由于粉末狀的氫化鈦活性很大,為了防止被污染和確保生產(chǎn)安全及防火,粉碎要在惰性氣體保護(hù)下于密封的裝置中進(jìn)行。在高真空度下將氫化物加熱,可以脫出氫氣得到鈦粉。脫氫過程為吸熱反應(yīng),一般要把氫化鈦加熱至500℃以上才能進(jìn)行。細(xì)的氫化鈦粉因在高溫脫氫過程中容易

8、燒結(jié)成塊,需根據(jù)脫氫原料的粒度選擇適當(dāng)溫度。HDH方法對(duì)鈦粉沒有凈化作用,所以要制得高純度鈦粉,要求原料海綿鈦的純度也較高,一般氧含量應(yīng)小于0.1%。在生產(chǎn)過程中,為防止氧和氮?dú)?/p>