鈦材料粉末冶金(powdermetallurgyoftitaniummaterial)

制取鈦和鈦合金粉，并用成型、燒結(jié)或熱等靜壓等固結(jié)方法，將粉末加工成制品的過程。是鈦材料制備工藝之一。該工藝可獲得鈦的近凈成型加工件，材料利用率高達(dá)80％，即降低了材料消耗，也減少了切削工作量。此外，該工藝克服了鑄造鈦合金成分易產(chǎn)生偏析和組織不均勻等缺點(diǎn)，還可制取傳統(tǒng)工藝所不能制備的多孔、纖維或微細(xì)粒子彌散復(fù)合材料，因而自20世紀(jì)70年代初獲得了較快的發(fā)展。已實(shí)用化的鈦材料粉末制品是燒結(jié)多孔鈦過濾元件，植入體內(nèi)的人工關(guān)節(jié)，汽車發(fā)動機(jī)連桿、螺帽和法蘭等緊固件、閃光燈陰極、航空和航海儀表零件以及小型耐酸閥體等。

粉末制造方法包括鈦粉末制造方法和鈦合金粉末制造方法。

鈦粉末制造方法有海綿鈦機(jī)械破碎法，鈉還原法、可溶性陽極電解法、氫化鈣熱還原法和氫化／脫氫法(H／DH)等。所制取鈦粉的形狀多為樹枝狀或多邊形，有較好的冷壓成型性。鈦粉末的直接用途主要是：鋁和鋁合金熔煉的晶粒細(xì)化變質(zhì)劑、煙火制品中煙花效果的添加劑、鈦／環(huán)氧樹脂耐蝕涂層、電真空器件吸氣劑等。

鈦合金粉末制造方法有元素混合法(BE)和預(yù)合金法(PA)等。

(1)元素混合法。把鈦粉末與其他元素粉末相混合，并固結(jié)成鈦制品的方法。制品拉伸強(qiáng)度相當(dāng)于同類合金的鑄、鍛件。但鈦粉中殘余氯鹽等雜質(zhì)，在制品中形成孔隙，降低制品的疲勞強(qiáng)度和延性。氯鹽還惡化了制品的焊接性能。多用于制造汽車、儀器和一次性飛行器的結(jié)構(gòu)件。盡管如此，BE法粉末成本低，固結(jié)設(shè)備簡單，能批量生產(chǎn)，所以它仍然是廣泛使用的制造鈦合金粉末的方法。

(2)預(yù)合金法。選用電弧、等離子或電子束等熱源，把鈦和合金組元相互熔融，并用離心或氣體霧化制成鈦合金粉末的方法。早期，有美國的等離子旋轉(zhuǎn)電極法(PRED)、德國的電子束旋轉(zhuǎn)盤法(EBRD)、法國的真空霧化法(PSV)等。這些方法都要預(yù)制合金電極，工序設(shè)備復(fù)雜，制造成本高，難以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。90年代美、英兩國發(fā)明的感應(yīng)凝殼熔煉一惰性氣體霧化工藝，把感應(yīng)熱源用于熔煉鈦合金，簡化了工藝，降低了成本，使PA法邁入批量化和實(shí)用化階段。PA粉末多為球形或片狀致密粒子，粒子間成分一致，其制品沒有宏觀偏析現(xiàn)象，疲勞強(qiáng)度相當(dāng)于熔煉材。PA法制取較多的是Ti一6AI一4V粉末。

(3)快速冷凝(RSP)法。是霧化法的進(jìn)一步發(fā)展。主要特點(diǎn)是熔融的鈦材料液滴冷凝速度大于108Ks^-1、凝固成薄帶再粉碎或直接凝成粉末。其優(yōu)點(diǎn)是擴(kuò)大合金元素在基體中的固溶度，獲得過飽和固溶體和微晶甚至非晶體組織，顯著提高了鈦合金的熱強(qiáng)性能。80年代發(fā)展的TiAl金屬問化合物，很有希望用于高溫下工作的飛機(jī)發(fā)動機(jī)部件，針對該化合物常溫塑性差和高溫變形抗力大的缺點(diǎn)，RSP，法作為最有希望解決上述問題的手段得到重視和研究。

(4)機(jī)械合金化(MA)法。是BE法的發(fā)展，用高能球磨機(jī)將鈦粉和其他元素粉末，邊粉碎邊研磨邊混合，粉末粒子問重復(fù)發(fā)生疊合、變形、冷焊和擴(kuò)散的過程，最終達(dá)到合金化的目的，并能獲得非晶態(tài)的鈦合金粉末。MA方法比RSP方法工藝簡單，但生產(chǎn)效率低。

粉末固結(jié)方法將鈦材料粉末固結(jié)成鈦材料制品的方法，可分為一般方法、熱壓方法和注射成型(MIM)方法等。

一般方法鈦材料粉末成型技術(shù)使用了一般粉末冶金技術(shù)發(fā)展的成果，如鋼模壓制、冷等靜壓制(CIP)、粉末軋制、粉末擠壓等，其成型壓力視鈦材料制品密度和力學(xué)性能而變，一般在200～600MPa范圍內(nèi)。由于鈦的活性大，壓坯燒結(jié)需在真空或惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行，燒結(jié)溫度取決于鈦材料制品性能，在1173～1573K范圍內(nèi)，多孔制品的燒結(jié)密度可達(dá)理論密度的60％～70％，致密件可達(dá)理論密度的95％以上。

熱壓方法為了提高鈦材料粉末制品的密度，除了用一般成型工藝，往往附加熱等靜壓(HIP)或真空熱壓(VHP)工藝，可將密度提高到接近理論密度。PA粉末由于是球形或片狀的致密粒子，不能用常規(guī)的冷壓法成型，而直接用HIP或VHP方法固結(jié)。Ti一6Al一4V合金典型的HIP工藝是把PREI)粉末裝入具有一定尺寸和形狀的金屬或陶瓷模中，抽成真空，在HIP壓機(jī)中，于1470～1620K和70～100MPa惰性氣體壓力下固結(jié)4h，獲得相對密度為99．8％～100％的鈦合金粉末制品。

注射成型法是把金屬粉末與增塑劑相混合，通過注塑機(jī)壓入模腔，注坯脫模后，加熱去除增塑劑，再進(jìn)一步提高燒結(jié)溫度，可成型壁薄、精細(xì)和形狀復(fù)雜的各種零件，工藝簡單，成本低廉。

噴射成型(osprey)是把霧化的金屬液滴噴射在模具上，凝聚并沉積形成盤、管、片等各種零件。這些方法對鈦材料來說正處于開發(fā)階段，還沒有實(shí)用化。

展望鈦材料粉末冶金作為鈦材料加工工業(yè)的一個(gè)獨(dú)立發(fā)展分支，已引起了各方重視，正從研究階段向?qū)嵱没A段過渡，其發(fā)展關(guān)鍵問題是獲取優(yōu)質(zhì)廉價(jià)的鈦材料粉末，解決固結(jié)工藝的低成本和大批量生產(chǎn)問題。