鈦合金粉末冶金熱等靜壓技術及發(fā)展現(xiàn)狀

前言

現(xiàn)代技術的不斷發(fā)展進步推動材料向著高效能和高性能的方向發(fā)展，高溫結構材料領域的發(fā)展進步尤為明顯。鈦合金由于其低密度、高比強度、良好的抗蠕變性和耐腐蝕性，越來越受到學者的關注。

鈦合金的原材料成本較高，傳統(tǒng)的加工方式鑄造、鍛造加工工序復雜且材料利用率僅有30%，鑄件易產生氣孔，夾雜和元素偏析等缺陷，在加工制備過程中易發(fā)生氧化。這些缺陷都嚴重制約了鈦合金構件的力學性能和使用條件，限制了鈦合金工業(yè)化應用的擴大發(fā)展

與傳統(tǒng)鈦合金鑄造、鍛造制造工藝相比，熱等靜壓粉末冶金具有以下優(yōu)勢：

（1）產品致密度高，均勻性好，綜合力學性能優(yōu)異，與鍛造構件相當；

（2）構件結構適應性廣，通過包套和型芯的組合可滿足復雜形狀產品的整體成形需求，表面質量高、機加工量少。

（3）材料利用率得以提高，相比于傳統(tǒng)鑄造、鍛造工藝。熱等靜壓粉末冶金技術的材料利用率超過50%，工藝方法簡單，生產周期短。

鈦合金粉末冶金熱等靜壓技術

熱等靜壓粉末冶金技術主要步驟包括：

1.制粉并根據(jù)成形零件尺寸設計制作包套和型芯

2.包套檢漏后將金屬粉末填充進包套并壓實

3.真空除氣后封焊包套

熱等靜壓處理后，采用機加工或酸蝕的方法去除包套，最后通過局部精加工得到成品零件，如圖1所示。

選取高性能的鈦合金粉末，并加以嚴格的生產工藝控制，最終得到的熱等靜壓粉末冶金鈦合金構件的力學性能已經接近或部分優(yōu)于鍛造鈦合金。

優(yōu)異的力學性能一方面是由于在高溫均質壓力下，零件致元素偏析等缺陷，在加工制備過程中易發(fā)生氧化。這些缺陷都嚴重制約了鈦合金構件的力學性能和使用條件，限制了鈦密度高、均勻性好。

另一方面是由于燒結溫度在β相相變點以下，可以將鈦合金粉末制備過程中快速凝固形成的細小組織充分保留，使最終得到的材料晶粒細小均勻

鈦合金粉末的制備及發(fā)展現(xiàn)狀

鈦合金粉末的質量決定粉末冶金熱等靜壓構件的力學性能，不同方式制備的鈦合金粉末的形

狀、尺寸、流動性都不相同，極大影響粉末冶金近凈成形產品的質量。

氣體霧化法使熔融的金屬在霧化室內被高速氣流粉碎成小液滴，最終冷卻成金屬粉末，如圖2（a）所示。根據(jù)形成的金屬液滴的方式不同可分為真空感應熔煉氣霧化(VIGA）、電極感應熔煉氣體霧化法(EIGA）、等離子霧化法(PA)，如圖2（b）所示。

等離子旋轉電極霧化法(PREP)如圖2（c）所示，是離心霧化法中應用最廣的一種方式，原理是將圓棒狀的鈦合金電極在高速旋轉的過程中，利用放電等離子體產生的高溫將電極一端熔化，熔化的合金在離心力的作用下被高速甩出電極端面，合金液滴在霧化室內被高純惰性氣體進一步粉碎，并快速冷卻形成粉末。

氣體霧化法和等離子旋轉電極霧化法是當今最主要的鈦與鈦合金的預合金粉末制備方法，主要面向航空航天等高尖端領域，而普通汽車或民用領域則會選用成本較低的元素混合法或氫化脫氫法制備的鈦粉。

HIP近凈成形過程的

致密化和模型研究進展

在熱等靜壓過程中，包套受到的溫度和壓力為各向同性，包套實際收縮率大于30%，且粉末材料受到工藝參數(shù)、材料屬性和零件結構的影響，導致零件收縮不均勻，形狀發(fā)生較大的變化。

因此掌握粉末致密化過程的變化規(guī)律，通過計算機技術把三維造型軟件和有限元仿真軟件功能相結合，研究關鍵尺寸收縮規(guī)律，對包套的關鍵尺寸進行輔助設計和預測，將包套設計、鈦合金HIP中的致密化過程以及粉末冶金產品的模擬仿真相結合，具有節(jié)約成本，提高工作效率，為HIP工藝制備各種工程構件提供有力支持等重要意義。