[科普中国]-粉末钛合金

粉末钛合金是将冶炼合格的钛合金液态金属采用雾化、旋转电极或真空减压雾化成粉，经热挤压成棒、热等静压成钛合金涡轮盘、飞机龙骨接头、海水淡化装置制成的材料。

钛及其合金的比强度高、中温热强性好、耐腐蚀且资源丰富，因而在航空、化工、冶金、医疗，海洋工程等领域应用很广泛，钛及其合金已成为飞机发动机的主要金属结构用材。

发展历程钛的冶炼和加工困难，零件制造费用高。20世纪40年代末出现钛粉末冶金技术，在一-定程度上缓和了钛制品加工的困难。直到20世纪60年代中期，钛粉末冶金工艺才取得大的进展，在降低材料消耗和零件制造成本方面取得了显著的成果。

钛是熔点高、活性大的轻金属，不能由矿石冶炼获得。生产金属钛是以天然或人造金红石(TiO2)为原料，采用金属热还原或熔盐电解方法制成海绵钛，再经真空电弧熔炼成锭。1946年出现了由海绵钛直接制得的致密金属钛-韧性钛，它是将海绵钛先破碎成粉末，再经冷压和烧结而成的，这实际上就是钛的粉末冶金方法。当时粉末钛的性能不高，主要是由于孔隙和非金属夹杂的影响，但是由它制成的过滤器却十分耐用。因此，钛过滤器材料作为第一代钛粉末合金产品一直使用。

在出现真空自耗电极电弧熔炼工艺以后，常规钛粉末冶金工艺才被淘汰。20世纪60年代中期，应用旋转电极雾化法制成了钛合金粉，并采用HIP致密化工艺，粉末钛合金的性能得到显著提高。近净成形工艺(NNSP)粉末钛成功地应用并推广，大大降低了钛零件的制造成本，使得粉末钛合金的应用日益扩大，受到宇航，航空等新型工业部门的日益关注。1

钛合金体系20世纪50年代初钛及其熔炼合金在工业上开始得到应用，到1972年，世界上大约有30种牌号的钛合金，而其中8种主要牌号的纯钛及钛合金又占了销售总额的90%。它们包括3个等级的工业纯钛和Ti-5A1-2.5Sn、Ti-6Al-4V、Ti-8Al-Mo-V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-13V-11Cr-3Al。 后来出现了著名的Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo(也可再添加0.2%Si)变形合金，再后来又出现了Ti-10V-2Fe-3Al钛合金，以及超导钛合金Ti-50Nb。

粉末钛合金的强化烧结钛合金粉末的烧结通常是固相扩散方式。采用混合元素法制备钛合金时，发现钛合金中的合金元素会在烧结时出现瞬时液相或提供扩散通道，促进致密化过程，也称为强化烧结。

强化烧结过程的实现依赖三个基本条件，即溶解度判据、偏析判据和扩散判据。通常，基体在添加剂中应：具有大的溶解度，或者形成中间化合物，而添加剂在基体的溶解度应很小，这主要归因于：①添加剂在基体的溶解度小会导致添加剂在粉末颗粒问界面上析出，有利于基体的扩散；②添加剂在基体的溶解度小可以减少维持强化烧结的添加剂的需要量。而且，强化烧结的致密化过程是基体向添加剂扩散的过程，这种扩散有利于烧结颈的快速长大与消除孔隙。若添加剂在基体中的溶解度大，将会产生与前者相反的扩散，出现Kirkendall效应，孔隙度增加，导致烧结体膨胀。

其次，烧结过程中添加剂能在粉末颗粒间界面析出，而且能在整个烧结过程保持。这种析出使得粉末颗粒间的扩散接触面富集添加剂。因此，提供了基体快速扩散的通道。这种析出特征反应在基体与添加元素相图上液相线和固相线不断下降。当满足溶解度标准和析出标准时，添加剂的强化烧结效果就取决于其对基体物质扩散速率的影响，物质扩散速率越快，强化烧结效果越好。2

应用(1)由处理过的纯海绵钛粉经冷压-真空烧结制造耐腐蚀的一般零件。航空业应用钛粉烧结成的零部件已经相当成熟。纯海绵钛粉或合金粉直接轧制成多孔钛或致密钛板，前者可以卷焊成多孔管用作过滤器。

(2)以钛粉和铝粉为原料，元素粉烧结的方法生产TiAI合金靶材。在电子领域，要求使用能达到高真空度的钛吸气材料，通常使用表面积较大的HDH钛粉生产这种吸气材料。

(3)钛合金粉末经冷等静压成形和真空烧结成坏，再经锻造或轧制获得各种型材，这类钛合金型材有着广泛的用途。

(4)预合金粉末HIP直接成形，制造高强度钛合金产品。

(5)用预合金粉直接HIP成形为零件，用于中温的航空发动机的零件或对HIP坯再热加成材，以制造用于飞机上的承力构件。

(6)元素混合、真空烧结后热等静压制作的发动机连杆在汽车发动机中得到广泛应用，粉未冶金进排气门在汽车行业应用也非常普遍。1

本词条内容贡献者为:

任毅如 - 副教授 - 湖南大学