一、鈦的粉末冶金

（一）鈦粉末冶金制品制備方法

粉末冶金作為一種現(xiàn)代冶金和材料加工的先進(jìn)技術(shù)方法，在鈦工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用，該技術(shù)發(fā)展較快，已相繼開發(fā)了許多粉末冶金制品的生產(chǎn)技術(shù)和方法，如模壓成形、粉末鍛造、粉末熱壓、粉末擠壓、粉末軋制、等靜壓、注射（噴射）成形、爆炸成形、自蔓延高溫合成等。這些新技術(shù)、新工藝的出現(xiàn)，促進(jìn)了粉末冶金材料的迅速發(fā)展。

傳統(tǒng)粉末冶金方法生產(chǎn)鈦合金制品主要步驟首先是粉末的制備，然后通過對(duì)疏松的粉未施加一定的外壓使其達(dá)到致密化，接著對(duì)壓坯進(jìn)行燒結(jié)，以得到一定性能的制品。常用的壓制方法有等靜壓和非等靜壓兩種，可以在常溫或高溫下對(duì)粉末進(jìn)行壓制。為了使最終產(chǎn)品得到較好的力學(xué)性能，必要時(shí)需對(duì)坯件進(jìn)行熱處理。

實(shí)際上，鈦合金粉末冶金制品的力學(xué)性能、化學(xué)特性與鈦鑄件大體相同，從使用角度來(lái)看，凡使用鈦鑄件的地方都可以使用鈦合金粉末冶金制品。采用粉末冶金方法制造出的機(jī)械零件切屑少或無(wú)切屑，減少了大量的機(jī)加工，節(jié)約金屬材料，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。但采用傳統(tǒng)粉末冶金生產(chǎn)的制品形狀受到一定限制，只能生產(chǎn)形狀較簡(jiǎn)單的產(chǎn)品。鈦合金粉末治金常規(guī)制備方法包括元素粉末法（BE）和預(yù)合金粉末法（PA），屬一種近凈成形法。在粉末冶金生產(chǎn)中，許多常規(guī)技術(shù)都可使用，包括常規(guī)的壓制和燒結(jié)工藝、彈性膠套、冷等靜壓（CIP）、陶瓷?；蚪饘侔?、熱等靜壓（HIP）等。

元素粉末法成本較低，工藝比較成熟。工藝過程為：先將元素粉末按合金的成分配比混合，后經(jīng)壓力機(jī)在約400MPa壓力下冷壓成形，然后在1260℃左右真空燒結(jié)3h；燒結(jié)體相對(duì)密度為95%~99%。燒結(jié)后通過固溶-熱等靜壓（約1200K，200MPa）處理可改善合金的疲勞性能，燒結(jié)體相對(duì)密度可達(dá)99.8%，其拉伸強(qiáng)度與熔鑄件相當(dāng)或更高。元素粉末法的特點(diǎn)是使用的粉末（如HDH粉、海綿鈦粉）價(jià)格低廉，且元素粉末相對(duì)預(yù)合金鈦粉屈服強(qiáng)度要低，容易成形，因此元素粉末法有著廣泛的市場(chǎng)前景。

元素粉末法是鈦粉末冶金工藝中成本最低的，且工藝簡(jiǎn)單，可有效壓制燒結(jié)制成復(fù)雜零件。元素粉末法的最新研究結(jié)果表明，該方法利用氫化鈦粉與A1:V為60:40的合金生產(chǎn)的 Ti-6AI-4V合金元件，其燒結(jié)密度和與之相關(guān)的顯微組織、力學(xué)性能與鑄件、鍛件相當(dāng)這種低成本且性能優(yōu)良的近凈成形法可得到大量的推廣應(yīng)用。預(yù)合金化粉末法主要有旋轉(zhuǎn)電極法和氣體霧化法等，大多是將合金滴快速凝固，從而獲得預(yù)合金粉，所以又稱“快速凝固法”。預(yù)合金粉末適宜于熱成形，粒度分布很窄，Ti6A1-4V粉末的平均粒度一般約為 30.1um。通過制粉和粉末加工過程控制，可使疲勞強(qiáng)度提高到壓力加工材料水平。利用預(yù)合金化粉末加工成形的鈦合金具有細(xì)的晶粒組織，可提高室溫性能及高溫超塑性的可成形性。目前人們使用預(yù)合金粉法生產(chǎn)的粉末冶金產(chǎn)品性能與鑄造及鍛造產(chǎn)品性能相當(dāng)。

（二）鈦粉末冶金制品的應(yīng)用

鈦粉末冶金制品的應(yīng)用非常廣泛，涉及許多工業(yè)領(lǐng)域以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，例如鈦粉末冶金異型件主要應(yīng)用于石油、化工、氯堿、濕法冶金、化肥、農(nóng)藥等工業(yè)部門，使用效果良好。

二、超塑性成形與擴(kuò)散連接

超塑性成形（SPF）與擴(kuò)散連接（DB）相結(jié)合是最為引人注目的近凈成形工藝之一。其優(yōu)點(diǎn)如下。

①可不必機(jī)加工而生產(chǎn)出最終的形狀、尺寸，從而大大節(jié)約了成本，縮短了流程和工期。

② 溫度較低，由于不形成氧化膜，因而無(wú)需酸洗。

③可生產(chǎn)整體構(gòu)件，取代多個(gè)單一零件組成的集成件，減少了制造和連接的費(fèi)用，因此更為經(jīng)濟(jì)、可靠、便捷。

（一）超塑性成形

超塑性是指金屬材料在合理的成形溫度和小的應(yīng)變速率下不發(fā)生宏觀頸縮而產(chǎn)生極大塑性應(yīng)變的能力。復(fù)雜的薄壁鈦構(gòu)件可以進(jìn)一步成形。

SPF主要用于制造航空件如管道、機(jī)翼艙口板、噴嘴、發(fā)動(dòng)機(jī)箱體和葉片，也可用于生產(chǎn)非航空用產(chǎn)品。

超塑性具有以下幾點(diǎn)要求。

① 變形溫度應(yīng)達(dá)到熔點(diǎn)溫度的一半左右，對(duì)于鈦合金大致為8相轉(zhuǎn)變溫度的90%左右

② 低的變形速率。由于高溫下的塑性變形主要由蠕變引起，而促使蠕變有兩個(gè)冶金條件，即極細(xì)的顯微組織和高變形溫度下穩(wěn)定的細(xì)晶組織，其中前者是因?yàn)樽冎饕芫Ы缁频目刂?。通常，?xì)小的等軸晶或α+β合金的兩相組織可滿足以上要求。SPF 鈦合金的典型晶粒尺寸小于10μm，呈等軸狀，且顯微組織較為均勻。具有SPF特性的鈦合金主要Ti-6AL-4V、Ti6AL-2Sn-4Zr-2Mo、Ti4.5A1-3V-2Mo-2Fe、Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al等。

對(duì)于Ti-6AL-4V合金，變形溫度為925℃左右，典型應(yīng)變速率為10^-1~10^-4 S^-1。模具內(nèi)通入熱氬氣，并在適當(dāng)壓力下使板材發(fā)生超塑性變形而成形為下模的最終形狀。

SPF/DB工藝所形成的接頭具有高的整體性，能使被結(jié)合部分冶金結(jié)合為一體。由于鈦易氧化，因而加工必須在真空或保護(hù)氣氛中進(jìn)行。

超塑性成形具有堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，尤其在航空工業(yè)領(lǐng)域更是如此，它能經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)薄壁板狀構(gòu)件，如 Ti-6AL-4V薄板超塑性加工而成的空中客車A300/310服務(wù)臺(tái)，即便是形狀復(fù)雜的構(gòu)件，也只需很少量的后續(xù)加工。

為了進(jìn)一步提高SPF加工的經(jīng)濟(jì)性，人們?cè)谔岣邞?yīng)變速率和/或降低變形溫度方面做了大量研究。使生產(chǎn)能力和工模具壽命得以提高。β鈦合金SP-700（Ti-4.5A1-3V-2Mo-2Fe）在此方面具有較大發(fā)展前景。由于其顯微組織非常細(xì)小、β轉(zhuǎn)變溫度低，在800℃左右不明顯增大流變應(yīng)力的條件下可以進(jìn)行超塑性成形。更有利的是，在該溫度下也可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散連接。

（二）擴(kuò)散連接

鈦合金材料在空氣中短時(shí)間內(nèi)能形成一層致密的氧化物層，因而具有耐蝕性。該保護(hù)層在高溫時(shí)具有向材料內(nèi)部擴(kuò)散的傾向。鈦的這種“自清理”特性以及良好的固態(tài)擴(kuò)散能力可用于鈦薄板的平面連接，其連接強(qiáng)度可達(dá)到母材水平。

如果裸露的鈦表面在50%熔點(diǎn)溫度被壓在一起，就會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散，從而使表面結(jié)合在一起，其界面成為連續(xù)的顯微組織，原界面消失。通過擴(kuò)散過程中產(chǎn)生的局部連接能成形復(fù)雜的三維薄板結(jié)構(gòu)。連接過程中不出現(xiàn)液相，無(wú)過熱的、降低連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的（與基體強(qiáng)度相比）組織。該工藝被稱為擴(kuò)散連接（DB），DB溫度近似于SPF溫度。擴(kuò)散連接的主要工藝參數(shù)為時(shí)間和壓力。SPF-DB加工溫度低，不僅可以延長(zhǎng)模具壽命、節(jié)約加工成本，而且可以減少高溫下合金晶粒的長(zhǎng)大和氧化。