粉末鈦合金

鈦的冶鍊和加工困難，零件製造費用高。20世紀40年代末出現鈦粉末冶金技術，在一-定程度上緩和了鈦製品加工的困難。直到20世紀60年代中期，鈦粉末冶金工藝才取得大的進展，在降低材料消耗和零件製造成本方面取得了顯著的成果。

鈦是熔點高、活性大的輕金屬，不能由礦石冶鍊獲得。生產金屬鈦是以天然或人造金紅石(TiO)為原料，採用金屬熱還原或熔鹽電解方法製成海綿鈦，再經真空電弧熔煉成錠。1946年出現了由海綿鈦直接製得的緻密金屬鈦-韌性鈦，它是將海綿鈦先破碎成粉末，再經冷壓和燒結而成的，這實際上就是鈦的粉末冶金方法。當時粉末鈦的性能不高，主要是由於孔隙和非金屬夾雜的影響，但是由它製成的過濾器卻十分耐用。因此，鈦過濾器材料作為第一代鈦粉末合金產品一直使用。

在出現真空自耗電極電弧熔煉工藝以後，常規鈦粉末冶金工藝才被淘汰。20世紀60年代中期，應用旋轉電極霧化法製成了鈦合金粉，並採用HIP緻密化工藝，粉末鈦合金的性能得到顯著提高。近凈成形工藝(NNSP)粉末鈦成功地應用並推廣，大大降低了鈦零件的製造成本，使得粉末鈦合金的應用日益擴大，受到宇航，航空等新型工業部門的日益關注。

20世紀50年代初鈦及其熔煉合金在工業上開始得到應用，到1972年，世界上大約有30種牌號的鈦合金，而其中8種主要牌號的純鈦及鈦合金又佔了銷售總額的90%。它們包括3個等級的工業純鈦和Ti-5A1-2.5Sn、Ti-6Al-4V、Ti-8Al-Mo-V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-13V-11Cr-3Al。後來出現了著名的Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo(也可再添加0.2%Si)變形合金，再後來又出現了Ti-10V-2Fe-3Al鈦合金，以及超導鈦合金Ti-50Nb。

鈦合金粉末的燒結通常是固相擴散方式。採用混合元素法製備鈦合金時，發現鈦合金中的合金元素會在燒結時出現瞬時液相或提供擴散通道，促進緻密化過程，也稱為強化燒結。

強化燒結過程的實現依賴三個基本條件，即溶解度判據、偏析判據和擴散判據。通常，基體在添加劑中應：具有大的溶解度，或者形成中間化合物，而添加劑在基體的溶解度應很小，這主要歸因於：①添加劑在基體的溶解度小會導致添加劑在粉末顆粒問界面上析出，有利於基體的擴散；②添加劑在基體的溶解度小可以減少維持強化燒結的添加劑的需要量。而且，強化燒結的緻密化過程是基體向添加劑擴散的過程，這種擴散有利於燒結頸的快速長大與消除孔隙。若添加劑在基體中的溶解度大，將會產生與前者相反的擴散，出現Kirkendall效應，孔隙度增加，導致燒結體膨脹。

其次，燒結過程中添加劑能在粉末顆粒間界面析出，而且能在整個燒結過程保持。這種析出使得粉末顆粒間的擴散接觸面富集添加劑。因此，提供了基體快速擴散的通道。這種析出特徵反應在基體與添加元素相圖上液相線和固相線不斷下降。當滿足溶解度標準和析出標準時，添加劑的強化燒結效果就取決於其對基體物質擴散速率的影響，物質擴散速率越快，強化燒結效果越好。

(1)由處理過的純海綿鈦粉經冷壓-真空燒結製造耐腐蝕的一般零件。航空業應用鈦粉燒結成的零部件已經相當成熟。純海綿鈦粉或合金粉直接軋製成多孔鈦或緻密鈦板，前者可以卷焊成多孔管用作過濾器。

(2)以鈦粉和鋁粉為原料，元素粉燒結的方法生產TiAI合金靶材。在電子領域，要求使用能達到高真空度的鈦吸氣材料，通常使用表面積較大的HDH鈦粉生產這種吸氣材料。

(3)鈦合金粉末經冷等靜壓成形和真空燒結成壞，再經鍛造或軋制獲得各種型材，這類鈦合金型材有著廣泛的用途。

(4)預合金粉末HIP直接成形，製造高強度鈦合金產品。

(5)用預合金粉直接HIP成形為零件，用於中溫的航空發動機的零件或對HIP坯再熱加成材，以製造用於飛機上的承力構件。

(6)元素混合、真空燒結后熱等靜壓製作的發動機連桿在汽車發動機中得到廣泛應用，粉未冶金進排氣門在汽車行業應用也非常普遍。