钛及钛合金粉末注射成形技术研究进展

具有或接近最终形状的零件， 可避免或减少机加工， 提高了材料产出， 降低了制备成本。 其中粉末注射 成形技术 （ Powder injection molding， 简称 PIM ） 是将 而形成 现代塑料注射成形技术引入粉末冶金领域 ， 的一种近终形成形技术。 它的基本工艺过程为： 将 粉末与粘结剂均匀混合并制成粒状喂料， 在注塑机 上注射成形出所需零件形状， 经脱除粘结剂后， 高温 烧结致密化而获得所需的零件。粉末注射成形制备 钛合金的优点在于： ① 可实现小型三维复杂形状零 组织细小， 力学性能优 件的批量制备； ② 成分均匀， 异； ③易于添加合金元素和制备复合材料 ； ④易于控 制材料微观结构， 可用于制备多孔钛合金材料。 因 钛合金粉末注射成形技术是实现钛及其合金材 此， 料的低成本制备， 推动合金实用化进程的有效途径 。 本文简要介绍了粉末注射成形钛合金的特点及优 从粉末制备、 粘结剂应用技术、 成形工艺及材料 势， 性能等方面综述了钛合金注射成形技术的研究进 展， 并针对目前存在的主要问题， 分析了钛合金粉末 注射成形的研究方向。
Table 1 表 1 粉末注射成形钛合金性能 Properties of titanium alloys fabricated by powder injection molding
密度 / % CP Ti 98 Ti6Al4V 97 Ti6Al2Sn4Zr2Mo 96. 4 Ti6Al7Nb 97 Ti45Al8. 5Nb 96 TiAl ～ 100 NiTi 97 Ti12Mo 94 合金成分 相对 氧含量 / % 抗拉强度 / MPa （ 质量分数） 0. 20 510 0. 20 850 910 0. 20 760 382 0. 18 440 0. 23 1 005 1. 13 1 000 伸长 率 /% 20 12 14. 1 13 0. 46 1. 0 17
Research progresses of powder injection molding for titanium alloys
Lu Xin，Liu Chengcheng，Qu Xuanhui （ School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083 ，China） Abstract： With low density， high specific strength， favorable biocompatibility and outstanding oxidation and corrosion resistance，Ti and its alloys have shown tremendous application foreground in the field of aerospace， automobile，national defense，medicine and cosmetics，etc. Titanium products with complex shapes can be produced by powder injection molding at low cost， which makes the technique contributed to the material productive development and application. In this paper，the main characteristics and advantages of titanium alloys fabricated by powder injection molding were briefly introduced. The recent research progresses and application of the PIMTi alloys were reviewed，especially in terms of powder preparation，binder，injection molding process and material properties. Finally，in view of the existing problems for their application，the further development emphasis and reserch direction of PIMed Tialloys were analyzed. Key words： titanium alloys； powder injection molding； research status
［1 ， 2 ］
“第三金属 ” 。 但是在钛合金材 中的 和“战略金属 ” 料的发展进程中， 其制品生产成本一直居高不下， 成 为制约钛合金大规模应用的关键问题， 如何发展低 成本钛合金材料制品及其制备成形技术成为目前一 个重要研究方向。 钛和钛合金产品的主要制备工艺大致包括铸 造、 铸锭压力加工以及粉末冶金工艺。 钛及其合金 具有高熔点、 高强度、 高化学活性的特点， 钛的提取、 熔炼和加工都十分困难， 进而导致钛合金制品制备 成本居高不下。采用粉末冶金技术可以直接制备出
第 31 卷第 2 期 2013 年 4 月
粉末冶金技术
Powder Metallurgy Technology
Vol. 31 ，No. 2 Apr. 2013
文献综述
钛及钛合金粉末注射成形技术研究进展
路 新 ＊＊
摘
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刘程程
曲选辉
（ 北京科技大学材料科学与工程学院， 北京 100083 ） 要： 钛及其合金具有低密度 、 高比强度、 良好的生物相容性和抗氧化 、 耐腐蚀性能等特性， 在航空航天、 汽车、 国防、 医疗、 化工等领域极具应用潜力 。而钛合金粉末注射成形技术（ PIM） 能够实现中小型复杂形状钛 对于推动钛合金产品的生产发展及其应用具有重要意义 。本文简要介绍了粉末注射成形 产品的低成本制备， 钛合金的特点及优势， 从粉末制备、 粘结剂应用技术、 粉末注射成形工艺、 材料性能等方面综述了钛合金粉末 注射成形技术的研究进展， 并针对目前存在的主要问题， 分析了粉末注射成形钛合金的研究方向及发展前景 。 关键词： 钛合金； 注射成形； 研究现状
射成形钛合金作为新兴市场， 发展前景巨大。
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钛及钛合金粉末制备
为了制备出组织均匀、 高性能的烧结制件， 必须 首先得到高质量的原料粉末。 由于钛的熔点较高、 活性大， 钛及钛合金粉末的制备需要严格控制工艺 ， 防止由于杂质， 特别是氧、 氮的含量上升而使材料的 力学性能恶化。这使得目前高质量的钛及钛合金粉 价格较为昂贵。 目前市场上低纯 末制备难度较大、 度氢化脱氢钛粉价格约为 66 ～ 176 美元 / kg， 而高 165 ～ 纯度球形钛粉的价格根据不同成分 可 达 到
* 国家自然科学基金资助项目（ 51204015 ） ； 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（ FRFTP12149A） mail： luxin@ ustb. edu. cn ＊＊路新（ 1979 － ） ， 女， 博士， 副教授。E收稿日期： 2012 － 09 － 19
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粉末冶金技术
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粉末注射成形钛合金的性能及应用
钛及其合金的粉末注射成形技术早在注射成形 发展初期就被提出， 但在 1988 年才出现了第一份相 关研究报道。1992 年， 日本的 Nippon Tungsten 公司 制备出首件钛合金粉末注射成形产品。 随后美国、 加拿大、 德国、 中国等国家便相继大量开展了有关钛 合金粉末注射成形技术的研究。 随着研究的深入， 粉末注射成形钛合金制件的性能不断提高 ， 有的甚 Ti 合金的性 至已与铸态、 锻态合金相当， 部分 PIM能如表 1 所示
作为一种优质轻型金属结构材料和功能材料 ， 钛及其合金具有低密度、 高比强度、 良好的生物相容 性、 抗氧化、 耐腐蚀性能、 使用温度范围广、 无磁、 无 毒等特点， 在航空、 航天、 航海、 兵器等军品制造领域 。 进入 21 世纪后， 钛合金引 起了更多科研机构和研究人员的关注， 国内外不断 一直占据重要地位 发掘出更多的应用领域， 钛及其合金正以强劲的发 展势头逐步扩展到汽车、 医疗、 化工冶金、 能源电力、 轻工建筑等民用行业。钛合金的相关技术也进入持 续快速发展的阶段， 钛被誉为继铁、 铝之后处于发展
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雾化法制备钛粉是以金属钛 （ 海绵钛、 残钛等 ） 为原料， 在高温下熔融， 借助于高速气流或机械力使 熔融钛雾化冷凝成为钛粉， 也可用于钛合金粉末的 制备。雾化法主要包括： 惰性气体雾化法 （ GA ） 、 等 电极感应熔炼气 离子束旋转电极雾化法 （ PREP ） 、 GA 法生产的钛粉具有粒 雾化法（ EIGA） 等。 其中， 度细、 粉末收得率高、 成本低等优点， 但存在坩埚污 染， 难以保证粉末纯度。 而 PREP 法生产的粉末球 形度高、 流动性好、 粒度分布窄、 纯度高， 但粒度较 粗， 粒度 ＜ 45 μm 的粉末收得率只有 1% ， 生产成本 ， （ 35 ～ 40kg ） 。 高 不能连续生产 一批最多 为改进传 上 世 纪 90 年 代， 德国 统 GA 法 的 坩 埚 污 染 问 题， LeyboId AG 公司开发了电极感应熔炼气雾化工艺 （ EIGA） ， 采用射频感应线圈熔化钛棒， 然后喷吹高压 惰性气体制得钛粉。日本住友 SniCk 公司根据该原 理制备了年产 60 吨的气雾化装置， 并于 1994 年投入 从此实现了气雾化制备钛及其合金粉末的小规 生产，
［5 ］ 330 美元 / kg， 甚至更高 。 可见， 如何实现低成本、 高质量钛及其合金粉末的连续工业化生产 ， 仍然是
大力发展钛合金工业所要解决的首要关键技术问 题。目前工业生产钛及其合金粉的方法有很多， 从 制备过程中发生的物理化学反应特点看， 可将其分 雾化法、 热还原法等。 为机械粉碎法、 机械粉碎法主要是指氢化脱氢法 （ HDH ） ， 利用 将海绵钛高温氢化处理后 钛吸氢后会脆化的特性， 进行机械粉碎， 制成氢化钛粉， 再将其在真空条件下 脱氢处理得到钛粉。 HDH 法是目前国内外制取钛 粉的主要方法， 其生产成本低， 工艺简单， 制备粉末 粒度分布宽， 但是氧、 氮等杂质含量较 形状不规则、 高。我国西安宝德粉末冶金有限责任公司将铸锭氢 化脱氢， 制备出了氧含量 ＜ 0. 2% （ 质量分数， 下同） 的 钛粉末， 目前已经可实现批量化生产； 另外， 该公司将 用气流磨破碎， 然后在射频等离 海绵钛氢化处理后， 球化处理， 得到了氧含量 ＜ 0. 2% ， 子体中进行脱氢、 ［ 6 ］ 粒径 ＜ 45μm 的微细球形钛粉， 并申请了专利 。但 目前低氧含量 HDH 钛粉的制备成本仍然较高， 难以 在航空航天、 汽车制造等行业推广应用。
［3 ］
。采用粉末注射成形技术制备的钛
合金产品涉及航空航天、 舰船、 兵器、 医疗、 汽车以及 日常消费品领域， 包括发动机阀门、 涡轮叶片、 手表 表壳、 高尔夫球头、 医用植入材料等。比如在医用领 域， 目前粉末注射成形钛合金制备医用移植体成为 研究热点， 部分制品已经开始进入临床验证 ， 有望近 期实现应用。美国材料测试协会也于 2011 年发布 Ti 制备医用植入体的化学成分、 了 PIM力学性能等 ASTM F2885 － 11 ） 。 在航空 标准（ ASTM WK35394 、 领域， 波音 787 梦幻客机上使用了 4 万多个钛合金 ［4 ］ 其中大部分为粉末注射成形工艺制备 。 紧固件， 2011 年世界粉末注射成形钛合金市场份额 据统计， 达 1 000 万美元， 并仍在高速增长中。 可见粉末注