钛及钛合金因其低密度、高比强度、高屈强比、良好的塑性韧性和良好的耐蚀性,在军事和民用领域具有广阔的应用前景,其性能和制造技术水平直接影响这些领域的发展和提高。扩大钛合金市场的瓶颈是钛难以提取、冶炼和加工,导致生产成本高。钛锭的生产成本约为同等重量铸锭的30倍,铝锭的6倍,从矿石到镁生产海绵钛的成本约为同等重量生产铁的20倍。目前每吨工业纯钛成本约为7.5 ~ 10 $/kg,航天用钛合金生产成本高达40 $/kg。
因此,降本主要是降低工业纯钛的生产成本和钛及钛合金的制造加工成本。为了降低钛合金的成本,国外大力发展了无切削、少切削的钛合金近终形工艺,粉末冶金技术是近终形工艺之一。目前制造钛合金零件的方法主要有三种:传统的锻造材料加工;铸造;粉末冶金。用于材料加工的锻件具有优异的材料性能,但这是浪费的,加工能力大,成本高,并且难以获得复杂形状的产品。通过铸造可以获得形状复杂的网状或近网状产品,成本低。然而,铸造过程中材料的偏析、疏松、收缩等缺陷难以避免,材料性能低下。钛合金粉末冶金技术克服了这两种方法的缺点,具有两者的优点。因此,国内外研究人员在粉末冶金技术制备钛合金方面做了大量的工作。本文简要介绍了近年来国外开发的几种制备高性能钛合金的粉末冶金技术及其应用。
金属粉末注射成形(MIM)技术作为一种近净成形技术,可制备高质量、高精度的复杂零件,被认为是目前最有优势的成形技术之一。用MIM法制造钛及钛合金近净形零件,可大幅降低加工费用。据估计,目前全世界钛的MIM部件的生产量为每月3~5t。随着制备钛粉工艺的改进和粉末成本的降低-,钛合金注射成形件的生产量呈增长趋势。日本最早采用MIM技术生产Ti一4wt%Fe合金运动夹板。现在最大的钛粉末注射成形的生产厂是日本Injex,每月生产约2~3t。钛的MIM产品已在高尔夫球头、自动汽车、医疗器械、牙科植入体及表壳表带等方面获得应用一。日本Hitachi metal Precision公司和Casio计算机公司制作的钛合金表壳在1999年国际粉末冶金会议上获得MIM优胜奖,此表在水深200m仍能正常运转。日本一些大学采用住友Sitix气雾化球形钛粉,由MIM法制取了Ti一6Al一4V、Ti一12Mo、Ti一5Co合金等。材料性能均优于同等条件下用常规粉末冶金工艺所制得的材料性能,完全达到了相同成分的熔炼锻造材料的水平。此外,日本一家公司用注射成形法制造形状复杂的钛铁合金零件,如田径跑鞋的鞋底钉子。该方法将钛铁合金(Ti一5wt%Fe)粉末和有机粘结剂混合,以196MPa的压力注射成形,在550度脱脂后,再在1000- 1400度,1.33×1O Pa条件下进行真空烧结。这样制成的钛铁合金鞋钉与钼合金鞋钉相比,耐磨性和耐冲击性均提高。且重量减轻45%。