钛合金的粉末冶金制备.doc

钛合金的粉末冶金制备 1.钛的简介 1.1钛的基本性质 1.1.1物理性质 钛是一种金属元素，灰色，原子序数22， 相对原子质量47.87。能在氮气中燃烧，熔点高。钝钛和以钛为主的合金是新型的结构材料，主要用于航天工业和航海工业。 钛的密度为4.506-4.516克/立方厘米（20℃），熔点1668±4℃，熔化潜热3.7-5.0千卡/克原子，沸点3260±20℃，汽化潜热102.5-112.5千卡/克原子，临界温度4350℃，临界压力1130大气压。钛的导热性和导电性能较差，近似或略低于 不锈钢，钛具有超导性，纯钛的超导临界温度为 0.38-0.4K。在25 钛具有可塑性， 高纯钛的延伸率可达50-60%，断面收缩率可达70-80%，但强度低，不宜作结构材料。钛中杂质的存在，对其机械性能影响极大，特别是间隙杂质（氧、氮、碳）可大大提高钛的强度，显著降低其塑性。钛作为结构材料所具有的良好机械性能，就是通过严格控制其中适当的杂质含量和添加合金元素而达到的。 1.1.2化学性质 钛在较高的温度下，可与许多元素和化合物发生反应。各种元素，按其与钛发生不同反应可分为四类： 第一类：卤素和氧族元素与钛生成共价键与离子键化合物； 第二类：过渡元素、氢、铍、硼族、碳族和氮族元素与钛生成金属间化物和有限固溶体； 第三类：锆、铪、钒族、铬族、钪元素与钛生成无限固溶体； 第四类：惰性气体、碱金属、碱土金属、 稀土元素（除钪外），锕、钍等不与钛发生反应或 基本上不发生反应。 金属钛在高温环境中的还原能力极强，能与氧、碳、氮以及其他许多元素化合，还能从部分金属氧化物（比如氧化铝）中夺取氧。常温下钛与氧气化合生成一层极薄致密的氧化膜，这层氧化膜常温下不与绝大多数强酸、强碱反应，包括酸中之王——王水。它只与 氢氟酸、热的浓盐酸、浓硫酸反应，因此钛体现了抗腐蚀性。 1.2钛粉的制备方法 钛粉末是制取钛制品的基本材料，其生产方法决定了它的性能、用途和价格。除了钛粉外，其他方法生产的粉体一般为预合金粉，形状为球形；氢化脱氢法一般也是预合金粉，形状是自然多角形；用海绵钛生产的海面细粉有残留的盐类，密度低，可焊性差。另有一种新型的是采用电解工艺生产钛粉。 钛粉的制备方法有多种，其中包括还原法、旋转电极法、氢化-脱氢法、电解法、机械破碎法等。 2．粉末冶金钛 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。 2.1 传统粉末冶金成形(P/M) 2.1.1　 采用传统粉末冶金方法生产钛合金制品主要步骤为:首先是粉末的制备,然后通过对疏松的粉末施加一定的外压使其达到致密化,接着对压坯进行烧结,以得到一定性能的制品。常用的压制方法有等静压和非等静压两种,可以在常温或高温下对粉末进行压制。为了使最终产品得到较好的机械性能,有时候需要对坯件进行热处理[6]。 使用粉末冶金方法生产钛合金时常常得考虑一个重要问题。由于钛的活性很高,钛原子易与氧发生反应生成氧化钛,而这种氧化物相当稳定,有可能带到以后的工序中去。所以选择制备钛粉的工艺时,应该尽量采用生产出来的钛粉氧含量低的方法[7]。 钛合金的粉末冶金制备方法包括元