内容导读
通过分析钛在熔炼中遇到的问题，并结合粉末冶金技术的特点，指出应用粉末冶金技术是未来钛产业发展的必然选择。详述了钛合金粉末冶金生产的工艺路线，该工艺生产的TC4钛合金粉末冶金件抗拉强度可达900 MPa以上，断后伸长率超过10%，综合力学性能优于GB/T 25137—2010钛及钛合金锻件标准要求。钛合金粉末冶金件还可用来进行锻造和挤压加工成形，经锻造、挤压后，力学性能可进一步提高。总之，利用粉末冶金技术进行钛合金的工业化生产具有生产设备投入成本低、可实现产品近净成形、节约原材料、产品性能高、生产周期短等优势。
关键词：粉末冶金；钛合金；工业化生产；力学性能
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作者/单位
作者：王海英，郭志猛，芦博欣，张策
单位：北京科技大学
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通信作者简介
郭志猛（1959—），男，教授，博士生导师。现任北京科技大学粉末冶金研究所所长。1982年毕业于北京钢铁学院获学士学位；1982-1983年在桂林矿产地质研究院从事超硬材料科研工作；1986年获北京科技大学硕士学位并留校任教；1993年获北京科技大学博士学位。1994-1996年赴日本与东京工业大学联合开展自蔓延高温合成技术（SHS）的研究工作。主要研究方向有：1.自蔓延高温合成（SHS） ；2.粉末冶金钛合金 ；3.粉末冶金铝合金 ；4.金属3D冷打印技术 ；5.******粉末冶金材料。
精要概览
应用粉末冶金技术是钛产业发展的必然
由于钛是一种化学性质非常活泼的金属，在高温下极易与氧、碳、氮反应，导致产品性能显著下降。当熔炼温度达到1 800 ℃以上时，会与氧化铝、氧化锆等几乎所有的耐热材料发生剧烈反应，到目前为止还没有哪一种材料能够直接作为熔炼钛的坩埚。可见，钛熔炼对环境和设备的要求极高，生产成本难以降低。
粉末冶金技术在1909年就被用于制造电灯钨丝。它克服了难熔金属熔铸过程中的困难，而钛熔铸过程中遇到的问题正是粉末冶金技术的优势所在，因此把粉末冶金技术应用在钛合金的生产上是钛产业发展的必然。在2008年国际钛协会年会上就曾有专家提出，钛合金粉末冶金将是未来钛合金成形研究的热点之一。国外在粉末冶金钛的工艺、材料、性能研究等方面开展了一系列的工作。L.Bolzoni等通过对用不同粉末原料粉末冶金成形钛合金的研究证明，利用传统、廉价的单轴冷压和烧结可直接获得与锻造钛性能相当的钛粉末冶金件。H.P.Ng等通过对粉末成形工艺的研究，可以在1 100 ℃烧结4 h后，得到密度达到99.7%的TC4钛合金件，其抗拉强度为1 036 MPa，延伸率为11.1%。Z.Z.Fang 等在一种低成本钛合金生产方法的项目报告（由美国能源部的增材制造和能源效率与可再生能源办公室提供的基金项目，项目编号为DE-EE0005761）中提出，粉末冶金制备钛合金的方法是一种可以与传统的锻造钛合金工艺相媲美的切实可行的工艺，将会推进汽车等行业对钛的应用。
国内西北有色金属研究院、广州有色金属研究院、航天材料及工艺研究所、中南大学等院所单位在粉末冶金钛合金制粉工艺、热等静压（HIP）技术等方面的研究和生产上都开展了一系列研究工作，并取得了一定成果。但截止到目前粉末冶金钛合金生产技术仍未能在国内实现规模化生产应用。
钛合金粉末冶金工业化生产的优势
（1）设备投入少粉末冶金生产工艺流程短，制造设备少，设备投入可根据生产规模灵活配置，总投入资本可大可小，有利于钛合金制造企业进行技术转型，提高效益。据估算，建成年产1万吨的钛合金粉末冶金生产线仅需资金约1亿人民币。
（2）金属利用率高利用粉末冶金生产工艺能够实现钛合金的近净成形，从而显著提高原料利用率，节约原料成本。
（3）产品性能好检测证明TC4钛合金粉末冶金件性能高于国标锻件的性能指标，无需进行锻造改性。
（4）生产成本低利用熔锻方式生产钛合金在经过2～3次熔炼后，还需要经过几次锻造改性。然而，如果以粉末冶金近净成形的钛合金件为坯料，只需一次终锻成形即可得到***终锻件，省去了铸锭多次镦拔的改性锻造过程，这样可以缩短产品的生产周期，显著降低加工成本，对于新品开发、小批量生产等具有******的优势。大规模工业化生产后，从制粉、成形到烧结的直接生产成本每吨仅约2万～3万元。
总之，钛合金粉末冶金工业化生产①设备投入少，生产规模配置灵活；②工序少、工艺流程短，生产周期短，能耗低，污染少，是一项节能、环保的绿色生产技术；③成形件为近终形、少切削，材料利用率高，成本低，是降低钛合金件价格的有效途径；④产品性能可达到或超过航空用锻件的******标准。因此，钛合金粉末冶金工业化生产是我国钛工业去产能、快速发展的必然选择。
美国材料实验协会在2013年就建立了钛及钛合金粉末冶金结构件标准（ASTM B988—2013），说明钛合金粉末冶金在国际上已开始工业化生产。2014年美国粉末冶金零部件的产值为22亿美元，钛粉末冶金零件为500万美元。近10多年来，我国在钛合金粉末冶金生产技术方面打下了坚实的基础，在此基础上，积极推进我国钛合金粉末冶金产业化，对推广钛的应用领域，做大中国钛市场，促进我国钛产业健康有序发展具有重要意义。
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北京科技大学粉末冶金研究所采用合金化粉末，经过冷等静压成形、致密化烧结，可以得到各种形状的粉末冶金钛合金件，如图所示。其中图a为经过局部车削的直径80 mm×350 mm圆棒，图b为汽车连杆烧结坯料，图4c、d分别为碗形件（内径30 mm、壁厚10 mm）和球形件（直径60 mm）。冷等静压可成形几十公斤至几百公斤，乃至上吨重的大尺寸坯料。
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采用防氧化包覆处理的TC4钛合金粉末可以先在液压机上用钢模进行轴向压制成形，然后再进行真空活化烧结，从而得到形状复杂的钛合金近形件，如图所示。
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图为TC4钛合金粉末冶金件的显微组织照片。可见组织细小均匀，由接近等轴晶的α相和细小β相组成，无完整原始β晶界，组织类型为网篮组织。
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引用本文
王海英，郭志猛，芦博欣，等.钛合金粉末冶金工业化生产技术[J].2017,34（1）：1-5.
相关文献
[1] Bolzoni L, Ruiz-Navas E M,Gordo E. Powder metallurgy CP-Ti performances: Hydride dehydridevssponge[J]. Materials and Design, 2014, 60(11):226-232.
[2] 贾翃,逯福生,郝斌.2015年中国钛工业发展报告[J].钛工业进展,2016,33(2): 1-6.
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