钛合金粉末冶金热等静压技术及发展现状

前言

现代技术的不断发展进步推动材料向着高效能和高性能的方向发展，高温结构材料领域的发展进步尤为明显。钛合金由于其低密度、高比强度、良好的抗蠕变性和耐腐蚀性，越来越受到学者的关注。

钛合金的原材料成本较高，传统的加工方式铸造、锻造加工工序复杂且材料利用率仅有30%，铸件易产生气孔，夹杂和元素偏析等缺陷，在加工制备过程中易发生氧化。这些缺陷都严重制约了钛合金构件的力学性能和使用条件，限制了钛合金工业化应用的扩大发展

与传统钛合金铸造、锻造制造工艺相比，热等静压粉末冶金具有以下优势：

（1）产品致密度高，均匀性好，综合力学性能优异，与锻造构件相当；

（2）构件结构适应性广，通过包套和型芯的组合可满足复杂形状产品的整体成形需求，表面质量高、机加工量少。

（3）材料利用率得以提高，相比于传统铸造、锻造工艺。热等静压粉末冶金技术的材料利用率超过50%，工艺方法简单，生产周期短。

钛合金粉末冶金热等静压技术

热等静压粉末冶金技术主要步骤包括：

1.制粉并根据成形零件尺寸设计制作包套和型芯

2.包套检漏后将金属粉末填充进包套并压实

3.真空除气后封焊包套

热等静压处理后，采用机加工或酸蚀的方法去除包套，最后通过局部精加工得到成品零件，如图1所示。

选取高性能的钛合金粉末，并加以严格的生产工艺控制，最终得到的热等静压粉末冶金钛合金构件的力学性能已经接近或部分优于锻造钛合金。

优异的力学性能一方面是由于在高温均质压力下，零件致密度高、均匀性好。

另一方面是由于烧结温度在β相相变点以下，可以将钛合金粉末制备过程中快速凝固形成的细小组织充分保留，使最终得到的材料晶粒细小均匀

钛合金粉末的制备及发展现状

钛合金粉末的质量决定粉末冶金热等静压构件的力学性能，不同方式制备的钛合金粉末的形

状、尺寸、流动性都不相同，极大影响粉末冶金近净成形产品的质量。

气体雾化法使熔融的金属在雾化室内被高速气流粉碎成小液滴，最终冷却成金属粉末，如图2（a）所示。根据形成的金属液滴的方式不同可分为真空感应熔炼气雾化(VIGA）、电极感应熔炼气体雾化法(EIGA）、等离子雾化法(PA)，如图2（b）所示。

等离子旋转电极雾化法(PREP)如图2（c）所示，是离心雾化法中应用最广的一种方式，原理是将圆棒状的钛合金电极在高速旋转的过程中，利用放电等离子体产生的高温将电极一端熔化，熔化的合金在离心力的作用下被高速甩出电极端面，合金液滴在雾化室内被高纯惰性气体进一步粉碎，并快速冷却形成粉末。

气体雾化法和等离子旋转电极雾化法是当今最主要的钛与钛合金的预合金粉末制备方法，主要面向航空航天等高尖端领域，而普通汽车或民用领域则会选用成本较低的元素混合法或氢化脱氢法制备的钛粉。

HIP近净成形过程的

致密化和模型研究进展

在热等静压过程中，包套受到的温度和压力为各向同性，包套实际收缩率大于30%，且粉末材料受到工艺参数、材料属性和零件结构的影响，导致零件收缩不均匀，形状发生较大的变化。

因此掌握粉末致密化过程的变化规律，通过计算机技术把三维造型软件和有限元仿真软件功能相结合，研究关键尺寸收缩规律，对包套的关键尺寸进行辅助设计和预测，将包套设计、钛合金HIP中的致密化过程以及粉末冶金产品的模拟仿真相结合，具有节约成本，提高工作效率，为HIP工艺制备各种工程构件提供有力支持等重要意义。

结语

粉末冶金热等静压技术因材料利用率高、综合力学性能接近锻件产品、对形状复杂的构件近净成形度高、产品生产周期短等特点，广泛应用于航空航天领域，但是小批量的钛合金粉末冶金热等静压工艺成本较高，在复杂构件包套设计制造、热等静压设备的使用和高纯制粉上的支出限制其在民品市场的大范围应用。

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