粉末冶金钛合金制备技术分析

粉末冶金钛合金制备技术分析

摘要：钛合金的应用广泛，涵盖了航空航天、船舶运输、汽车工业、医疗器

械等领域，究其根本，其金属属性优良，具备生物兼容性，虽然金属的整体密度

较低，但强度很高，且具有良好的耐热性、耐腐蚀性。但是，钛价格昂贵，因此，如何有效地降低产品成本、提高合金性能，是钛合金生产中亟待解决的问题。相

比传统的制备方式，粉末冶金方法简化了融化、锻造等过程，钛合金产品直接产出，减少了制备过程中的材料浪费，在提高产量的同时，也为生产企业节约了成本，因而广受业内人士关注。

关键词：粉末冶金；钛合金；制备技术

一、粉末冶金钛合金特点

目前，国内钛合金产品的生产方式以熔铸工艺和粉末熔炼工艺为主。钛是一

种化学性质非常活泼的金属性材料，熔点较高，不能使用传统的熔铸载体，只能

选用无坩埚或水冷铜坩埚中的一种，这种熔铸方式，会产生较高的经济投入，熔

炼过程中会产生较高的能耗，而最终产品的纯度却不高。粉末冶金制备过程与传

统工艺存在较大差异，对温度要求较低，只需要低于熔点的温度便可进行制备，

以金属粉末为原料进行成型和烧结，可实现近净成形，且加工费用较低。通常，

企业可使用氢化脱氢法、气雾化法、旋转式电极雾化法等制备钛粉。虽然钛的金

属活泼性较高，但因为处于较低的温度，避免了与其他材料产生化学反应的情况，且组分均匀，因而这种制备方式潜力巨大，受到各领域的追捧。

二、粉末冶金钛合金制备技术

（一）钛粉制备工艺

钛粉制备工艺按钛粉的形状，可分为非规则粉体制备工艺和球体粉体制备工

艺两大类。其中，非规则粉体制备工艺主要包括氢化脱氢法和热还原法，球体粉

体制备工艺主要包括气雾化法、旋转式电极雾化法和等离子球化法。

1.氢化脱氢法

利用钛和氢的可逆反应实现钛粉制备。Ti和H2在一定温度和压力条件下，

反应生成TiH2，其脆性较高，通过机械手段破碎可以得到微粉，再将微粉脱去氢气，即可得到纯钛粉。该工艺可选用海绵钛或残余钛作原料，对设备的要求较低，可有效降低制钛成本，是目前最常用的钛粉制备工艺，非常适合工业化的大量生产。

2.热还原法

高温条件下，利用活泼金属（钙、钠、镁等）将钛的氯化物或钛盐还原成钛，从而得到钛粉，或通过真空蒸馏法熔炼钛矿石、去除氯化物，从而得到高纯金属

钛粉。该工艺反应迅速，通过该工艺制备的钛粉纯度较高，但粉质粒度相对较粗，且金属还原剂可循环使用，因而降低了生产成本。

3.气雾化法

采用该工艺，将钛原料加热成溶体后，利用高压氩气气流冲击金属液流，直

至雾化，得到微细的液滴，经冷却后可以得到球状粉末。一般来说，该工艺包括

电极感应式熔融气体雾化和等离子惰性气体雾化两种方法。第一种方法运用无坩

埚技术，将加工成棒状的钛加热熔化，钛在熔化过程中不与坩埚接触，产生的污

染更小，雾化粉末较纯净，且受热范围小，加热速度快，能耗低；第二种方法将

原料制成预合金棒，利用等离子热弧熔炼于冷水铜坩埚中，与坩埚底部相连的感

应加热漏嘴系统，可以将金属液流引入气体雾化喷嘴中进行雾化。通过气雾化得

到的钛合金粉末成分均匀、粒度较细、含氧量较低，但粉体会有空心球，杂质较多，成本也将大大增加。

4.旋转电极雾化法

球状钛粉生产中最常用的是旋转式电极雾化；法。在此过程中，需将事先预

制的电极棒置于高速旋转轴上，使之在等离子热弧的作用下熔化，熔融金属滴在

离心力的作用下，会沿切线方向发散成细小的液滴，最终凝固球化成粉。整个过

程需要在真空或惰性气体的保护下进行。利用该工艺得到的粉粒范围较窄，球形

较好，杂质含量较低，且没有空心，但受限于电极棒的直径、旋转速度等因素，

粉粒一般较粗，制作费用较高。

5.射频等离子球化法

该工艺是在惰性气体的保护下，将粉末输送到等离子高温区，熔融成细小的

液滴，利用液滴表面的张力形成球形，冷却后得到粉末。该工艺是一种新型钛粉

制备工艺，粉末的球形度好，无空心缺陷。

（二）钛粉成型工艺

钛粉成型工艺是指将钛粉制备成一定形状和尺寸的坯体，以用于烧结致密化。目前，粉末冶金钛合金的成形工艺主要包括以下几类：

1.模压成型

一般是指冷模压制成型。将钛或钛合金粉末装入钢模，并施加压力，使之形

成具有一定强度的标准压坯。该工艺成本较低，适用于大批量连续生产，可用于

制备高精度零件，但生产过程中难以控制氧含量，烧结致密度低，因此应用较少。

2.冷等静压成型

将粉末装入硅胶、橡胶等具有弹性的模具，利用液体对模具施加压力，得到

密度较高的坯料。其优势主要包括可制备大尺寸、形状复杂的坯料；液体压力传

导各处均等，得到的坯料密度分布均匀，不存在密度差；模具材料为硅胶或橡胶，制模成本较低。

3.金属注射成型

金属注塑成型是一种将传统的粉末冶金工艺和塑料注塑工艺相结合的成型工艺。将钛粉和有机黏结剂的混合物加热后，注入不同的形状模腔，冷却后，通过

化学脱脂和热脱脂工艺，从坯体中脱出有机黏结剂。该工艺的最大特点为尺寸的

精度高，能成型复杂形状的零件，且能实现规模化生产。但与此同时，该工艺表

现出的明显问题是，机件中会残留有机黏结剂，造成钛合金基体中氧碳杂质大量

增加，塑性急剧降低。因此，开发无残留的黏结剂是该工艺发展的关键。

4.凝胶注模成型

凝胶注模成型工艺需要先配置一定浓度的有机单体预混液，添加分散剂，使

金属粉末在其中形成流动性极好的悬浮浆料，再利用引发剂使有机单体聚合，通

过聚合形成的三维聚合物，将模具中的粉末包裹起来，干燥后能得到具有一定强

度的坯体。

（三）钛粉烧结工艺

钛粉烧结工艺是指通过烧结形成致密性、机械性良好的钛或钛合金粉末，这

是粉末冶金的一道关键工序。钛合金化学性质活泼，在烧结过程中需严格控制含

氧量，避免氧化，目前常用的烧结工艺主要包括以下几种类型：

1.真空烧结

真空烧结对设备的要求较低，适于大规模的工业化生产，是目前最常用的粉

末冶金钛合金烧结工艺。烧结过程中，可以将压坯吸附气体、孔隙中残余气体及

反应放气排出，减少环境中的杂质气体，促使烧结致密化。

2.气氛烧结

该方法是指在氢气气氛中进行烧结，其可以对粉末冶金钛合金的性能起到促

进作用，从而全面提高合金的抗拉和抗压性能。

3.热等静压烧结

在密闭的金属套筒内装填粉末，经过高温、高压的共同作用，最终可制成高

致密度烧结坯。它具有许多突出的优点：能使烧结温度降低，有利于获得细小组

织的晶粒；能得到不含孔隙的烧结组织，达到全致密烧结；致密化性能明显提高；通过改变包套形状，可以使复杂形状的部件得到近净的成形和制备。

4.放电等离子烧结

放电等离子烧结工艺将原料粉末装入石墨模具，通过脉冲电流产生的等离子

活化烧结，在较低温度和较短时间内获得致密组织的一种快速烧结技术。其优点