钛粉末冶金回顾.doc

1 钛粉末冶金回顾 - 第 2 部分 钛及其合金材料许多应用程序的首选，但高成本往往否定他们的使用。粉冶金提供了一个具有成本效益制造方法。 在航空和陆地系统钛合金具有更好的机械组合性能和 优异的腐蚀 性能。 然而，与 竞 争材料 相比 金的高成本 限制了他们的广泛使用。 粉末冶金（ 术提供了降低制造成本的可能性。 粉末冶金的发展成本、 钛的有效加工方法、组件在不同方面的技术， 包括混合元素（ 方法，预合金（ 方法，添加剂层 制造（ 粉末注射成型（ 和喷射沉积（ 理。 金属基复合 材料 连续和间断的增强钛部件已经使用 方法生产，图 1. 显示一个成品钛金属基复合材料（ 环旋坑测试由制造 迪克（ 密等离子喷涂胶带。 技公司 ( 使用混合元素的技术来制造金属基复合材料使用微粒和复合冷，热等静压（ 组，或锻造，挤压 ,和切削的滚动执行 1。该 合金基复合材料采的系列用 硼化钛陶瓷颗粒金属间增援以最小的颗粒、基体的相互作用。表 1 比较了 料 与 机械性能钛 6。 七层铠甲和 图 自旋坑测试。 表 1 i 材料和 型性能 2 预合金化的方法 此方法使用 预制合金粉末（通常形状球形）由熔化产生的，通过离子旋转电极处理（ 等离子体处理（无论是雾化或球化）或气体雾化（ 其次是热的整合，通常通过热等静压 2。机械性能优于铸锭材料（是因为材料精致的微 观结构和缺乏方向性）。粉末含有金属（带金属嵌件）或陶瓷铸型（密封在充有二次加压介质的罐中）通过热压制等静压处理。 采用 近净形 型组合物的优势已确认 3。 目前没有使用陶瓷模具生产零部件， 原因是担心陶瓷颗粒可能进入制造钛零件。 然而，图 2和 3显示出的部件用成形的金属罐和可移动低碳钢刀片（由化学溶解除去）为生产做好准备 6。 尽管 30体积收缩率一般为 理 末，先进的流程建模允许“ 净面 ” 到以最小的实现近净表面上加工。近净成形钛部件可以由到的 尺寸现有的静压炉（可达 2 米），这篇文章中对于技术的能力进行大篇幅的讨论。部分表现出的力学性能优于传统铸造和锻造（铸锭冶金）组件（图 4）。最低限度值（在设计上使用）下午材质有更大的比那些传统制造材料 4。断裂韧性（ 品优于铸造和锻造材料（ 55 2），（数据由韦恩博士语音， 卷 罗伊斯公司， 英国 ）。 图 3 采用预合金化的金属 的方法，有选折性 进行 箭的叶轮辅助发动机涡轮制造。 图 2 采用预合金化的金属的方法制备 网 形钛 6体 3 图 4 预合金 造，铸造和机械性能的比较。 添加剂层制造 这中方法中，几乎由一台计算机控制生产任何形状，粉末在连续层下熔化 （图5） 。 60 1104兆帕）与抗拉强度 5至 6的伸长率 “作为成形的 ”和 140965兆帕）在热静压后伸长率为 15%，性能相当于铸造和锻造的水平（ 从 B 本山， 密歇根州）。做 而，在影响发展的主要问题在于钛合金寿命以及的原料供应。材 料成本是一个主要问题，一般达到总生产成本的40 50。 材料供应链粉和线的问题，可持续的来源并不总是可用的 ,某些合金和物资可用性是有限的 7。 可以部分修复使用 7。 图 5夹层结构机翼示威者使用添加剂层制造 生 产中心添加剂层制造 4 粉末注射成型 金 属粉末注射成型的基础是 对塑料注射成型的过程开发的长生产运行的小（通常小于 400 克）复杂形状的钛部件在一个具有成本效益的 的方式。 该技术包括熔融和钛粉末粘结剂造粒混合物被注入模具。该粘合剂的化学或 热法移出和部分烧结（图 6） 8该方法使制造组件具有良好的机械性能和化学（特别是氧气）控制 10典型形状 图 将多孔层表面的主体植入导致主体生长和 提高种植体与骨之间的粘合12。 目前，钛 件均达到到 1 英尺长，但部分超过 3 至 4 英寸（约 50 克）是不常见的。限制因素是重现性和化学。 全世 界钛的 至 5吨 10。场扩展需要成本低（每磅小于 20美元或每公斤 44美元）大小合适（小于 40毫米）和纯度良好的粉末（这是维持整个制造过程）。对于非航空应 的纯度水平可以不那么严格，例如，氧气水平可高达 同时仍表现出可以接受的水平延展性（航空航天需要的最大氧气量为 13。 氧水平可以更高的 （最高以至少 量）。四级的 具有重量的 13规格限制。而最终的四年级 的拉伸强度（ 80 550 兆帕）比常规的 135 930 兆帕），它很可能是更好的选择，潜在的 分成本是十分关注。 4 级可以使用 成本较低的起始库存和氧的含量较高在最后一部分。在未来， 合金，具有其固有的良好的延展性（ 构）和金属间化合物有吸引力高温能力都是潜在的通过 学，技术和 成本似乎是准备好显著增长。 图 7 代表钛 件 图 6 粉末成型步骤示意图 5 喷射成形 该技术涉及熔融金属 14和固体粉末。钛的熔融金属喷涂是相当大的挑战，由于其反应性极高。然而，这两种在惰性环境下喷射成形反应条件是使用适当设计的设备 15。一个分段冷壁坩埚结合感应加热和一个感应加热石墨喷嘴被用来生产熔融金属，适合雾化、产生粉末或喷射成形。 有兴趣增加冷喷雾形成涉及固体粉末粒子 16。 冷喷（小于 500 ）， 可以产 生两个单片 “厚实 ”形状和涂层组件。 在这个过程中，固体粉末引入到德拉伐尔型喷嘴和扩展实现超音速流动。密度喷雾的区域是小于全密度，但也可以是通过随后的 加至 100的密度。冷喷涂部件的例子示于图 8。该技术也粘结在一起非常有用通常难以粘结的金属，如钛和钢。 图 8 产生 在 件 的冷喷涂纯粉 未来的考虑 在过去的 30 年中，大量的钱（多由联邦资助的）花费在试图规避钛部件成本高为航空航天和地面应用。但是，尽管成功率较低完整性部件和 在 最新进展，整体市场规模较小，也许每年 20000 磅全球总。 然而，各种各样的高品质、低成本的粉末指日可待。 发展应采取合理的增长采用粉末冶金制品。三个领域有 术可以生产小部件 （小于 1 磅），较大的部件使用 术，使用添加剂较大的部件层制造。 混合元素的应用是创新方法，如使用氢化粉末产生均匀的高密度 17,18，包括大型装甲车辆配件（图 9） 使用 久经考验 ”铸造和锻造的或直接铸造方法。最近的事态发展表明，立即申请 是在复杂件，非常难以制作 属图 9 大型装甲车辆配件 6 间化合物合金，以及在金属基复合材料 3,4。添加剂层的制造也应该看到显著增长