1前言
金属钛及其合金具有低密度、高强度、良好高温强度、卓越的耐腐蚀性等性能,广泛用于航空航天、汽车、生物工程(良好相容性)、手表、环保等领域。但是,钛及其合金的机加工性能差,成为大量生产复杂形状零件的障碍。因而用金属注射成形(ＭＩＭ)新工艺生产钛零件倍受注目。本文综述了ＭＩＭ钛合金的研究状况,以利于ＭＩＭ钛零件的研制和市场的开拓。
2钛粉
钛粉生产方法有氢化钛分解破碎法(ＨＤＨ)或气雾化法(ＧＡ)。为制备钛合金粉,可将上述方法制得的钛粉与其它金属粉混合,也可采用ＧＡ或高温自蔓燃法直接制得钛合金粉。
3ＭＩＭ钛
ＨＤＨＴｉ粉的振实密度小于ＧＡＴｉ粉,在制备注射料时,加入粘结剂量(体积分数)相应为43.1%和33.3%。采用的粘结剂为树脂和蜡。粘结剂和Ｔｉ粉在383393Ｋ温度下混练1ｈ。注射成形后,成形坯在102Ｐａ真空中,于Ａｒ气流中和648Ｋ下热分解脱粘。在423573Ｋ间的升温速度为1.4×10-5Ｋ/ｓ。可将上述二种粉的注射成形坯中的约90%粘结剂脱除。而后在10-2Ｐａ真空中烧结,加热速度为5.56×10-2Ｋ/ｓ。在烧结温度下保温2ｈ。ＨＤＨ粉的注射成形坯经1198Ｋ烧结后相对密度为82.4%,经1348Ｋ烧结后迅速提高到94.5%。气雾化Ｔｉ粉注射料中粉末装载量大,注射成形坯于1198Ｋ下烧结后相对密度达92.4%,烧结温度为1248Ｋ时为94.8%,烧结温度为1348Ｋ时为95.8%。烧结温度由1198Ｋ提高到1348Ｋ,由气雾化钛粉制取的烧结Ｔｉ抗张强度由550ＭＰａ增至为610ＭＰａ,仅提高60ＭＰａ,而ＨＤＨ钛粉制取的烧结Ｔｉ则由420ＭＰａ增至630ＭＰａ,提高了210ＭＰａ。值得注意的是,在1298Ｋ烧结后,尽管由ＨＤＨＴｉ粉制取者的相对密度为92%,比由气雾化钛粉制取者(95%)低,但由ＨＤＨＴｉ粉制取者的抗张强度(630ＭＰａ)却比由气雾化钛粉制取者(590ＭＰａ)高40ＭＰａ。它们的屈服强度变化规律与抗张强度相似。由气雾化Ｔｉ粉制取者经1223Ｋ1298Ｋ烧结后的伸长率约为15%20%。但当烧结温度高于1323Ｋ时,伸长率急剧下降至5%。由ＨＤＨＴｉ粉制取者的伸长率总地说比由气雾化钛粉制取者低,在1273到1298Ｋ下烧结后为6%7%。化学分析数据表明,由ＨＤＨＴｉ粉制取者烧结后的碳含量为0.06%0.07%,比由气雾化Ｔｉ粉制取者的0.05%0.06%稍高一点,不会对力学性能有什么影响,但氧含量相应为0.45%0.46%和0.28%,这是影响力学性能的重要因素。为降低ＭＩＭＴｉ的氧含量,采用低氧含量(0.13%)的气雾化Ｔｉ粉(平均粒径23.81μｍ)和低氧含量的聚丙烯、石蜡和Ｃａｒｎａｕｂａ蜡作为粘结剂。在447Ｋ下与70%(体积分数)Ｔｉ粉加压混练1ｈ。注射成形后在313Ｋ下用溶剂萃出脱粘0.5ｈ,脱除43%61%的粘结剂,而后在773Ｋ的真空中于Ａｒ气流中脱除剩余的粘结剂,这可防止氧化和碳化。再在(12)×10-2Ｐａ真空中14231503Ｋ下高温烧结1.5ｈ。结果表明,由组成比不同的粘结剂制取的ＭＩＭＴｉ,其氧与碳的含量不同。采用40%聚丙烯+60%蜡粘结剂时,经1443Ｋ烧结1.5ｈ得到的Ｔｉ的氧含量最低,为0.22%(Ｃ0.04%Ｎ0.0017%)。此时,伸长率为19%(σ为504ＭＰａ、σ0.2为360ＭＰａ)。烧结温度提高到1463Ｋ时,氧含量降至0.20%,伸长率达到最高值(21.5%)。继续提高烧结温度至1503Ｋ,虽然密度提高到96.4%,但伸长率反而急剧下降至4%5%。其原因是氧含量增至0.3%,而且晶粒粗化。因此,14431463Ｋ是最佳烧结温度。这时,ＭＩＭＴｉ的各项性能达到了ＴｙｐｅＪＩＳ3标准的性能(Ｏ≤0.3%、Ｎ≤0.007%、σ=451617ＭＰａ、σ0.2≥343ＭＰａ、δ≥18%)。
6ＭＩＭＴｉ-Ｍｏ合金
Ｔｉ-12Ｍｏ为β相稳定合金,具有极佳的耐腐蚀性和高强度。采用气雾化Ｔｉ粉(粒度小于38μｍ)和钼粉(平均粒径0.6μｍ),在双锥混料机中混合10ｈ。而后和13.4%(质量分数)的粘结剂混练造粒。粘结剂由聚合物和蜡组成。聚合物由聚丙烯、高密度聚乙烯及乙烯和ＥＶＡ的共聚物组成,蜡由微晶石蜡和Ｃａｒｎａｕｂａ蜡组成。在温度473Ｋ、压力100ＭＰａ下注射成形。于(12)×10-1Ｐａ真空下,于673Ｋ脱粘5ｈ,可脱除96%的粘结剂,而后在13931573Ｋ、(12)×10-1Ｐａ真空中烧结。随烧结温度的升高,密度直线性增加,在1573Ｋ下烧结时相对密度最高,达97%(锻材密度为4.88ｇ/ｃｍ3)。这样高的烧结温度,虽能提高密度,但由于粘结剂脱除残留的碳形成ＴｉＣ在晶界析出,而且晶粒长大,导致强度下降。力学性能测试表明,在14731493Ｋ烧结2ｈ(相对密度为94.1%)和14331473Ｋ间烧结5ｈ(密度为95.1%)时,抗张强度最高,达1000ＭＰａ,完全达到了熔炼锻造的相同成分的β-Ｔｉ合金的水平。
7结论
Ｔｉ及Ｔｉ合金具有低密度、高强度,良好高温性能和卓越的耐腐蚀性,是极有前途的结构材料。但难于机加工。ＭＩＭ成为生产Ｔｉ和Ｔｉ合金复杂形状制品的生产工艺。可采用元素混合粉或预合金粉,在Ａｒ气流中脱粘,于真空中烧结,相对密度可达95%以上。ＭＩＭ纯Ｔｉ的抗张强度达630ＭＰａ,伸长率20%。ＭＩＭＴｉ-Ａｌ的抗张强度为430ＭＰａ,特别是在800℃下的高温强度仍保持在330ＭＰａ,伸长率13%。ＭＩＭＴｉ-6Ａｌ-4Ｖ的抗张强度达10001300ＭＰａ,伸长率12%。ＭＩＭＴｉ-Ｍｏ的抗张强度为1000ＭＰａ。这些金属注射成形的Ｔｉ和Ｔｉ合金性能完全达到了相同成分的熔炼锻造材料的水平。
