鈦合金的應(yīng)用廣泛，涵蓋了航空航天、船舶運(yùn)輸、汽車(chē)工業(yè)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域，究其根本，其金屬屬性優(yōu)良，具備生物兼容性，雖然金屬的整體密度較低，但強(qiáng)度很高，且具有良好的耐熱性、耐腐蝕性。但是，鈦價(jià)格昂貴，因此，如何有效地降低產(chǎn)品成本、提高合金性能，是鈦合金生產(chǎn)中亟待解決的問(wèn)題。相比傳統(tǒng)的制備方式，粉末冶金方法簡(jiǎn)化了融化、鍛造等過(guò)程，鈦合金產(chǎn)品直接產(chǎn)出，減少了制備過(guò)程中的材料浪費(fèi)，在提高產(chǎn)量的同時(shí)，也為生產(chǎn)企業(yè)節(jié)約了成本，因而廣受業(yè)內(nèi)人士關(guān)注。

一、粉末冶金鈦合金特點(diǎn)

目前，國(guó)內(nèi)鈦合金產(chǎn)品的生產(chǎn)方式以熔鑄工藝和粉末熔煉工藝為主。鈦是一種化學(xué)性質(zhì)非?；顫姷慕饘傩圆牧希埸c(diǎn)較高，不能使用傳統(tǒng)的熔鑄載體，只能選用無(wú)坩堝或水冷銅坩堝中的一種，這種熔鑄方式，會(huì)產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)投入，熔煉過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較高的能耗，而最終產(chǎn)品的純度卻不高。

粉末冶金制備過(guò)程與傳統(tǒng)工藝存在較大差異，對(duì)溫度要求較低，只需要低于熔點(diǎn)的溫度便可進(jìn)行制備，以金屬粉末為原料進(jìn)行成型和燒結(jié)，可實(shí)現(xiàn)近凈成形，且加工費(fèi)用較低。通常，企業(yè)可使用氫化脫氫法、氣霧化法、旋轉(zhuǎn)式電極霧化法等制備鈦粉。雖然鈦的金屬活潑性較高，但因?yàn)樘幱谳^低的溫度，避免了與其他材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的情況，且組分均勻，因而這種制備方式潛力巨大，受到各領(lǐng)域的追捧。

二、粉末冶金鈦合金制備技術(shù)

粉末冶金鈦合金制作過(guò)程沿用了傳統(tǒng)的氫化脫氫、霧化等制粉技術(shù)，利用冷等靜壓、模壓、注射成型、熱等靜壓等工藝得到鈦、鈦合金粉末，最終通過(guò)真空燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)等工藝致密化而成。

（一）鈦粉制備工藝

鈦粉制備工藝按鈦粉的形狀，可分為非規(guī)則粉體制備工藝和球體粉體制備工藝兩大類(lèi)。其中，非規(guī)則粉體制備工藝主要包括氫化脫氫法和熱還原法，球體粉體制備工藝主要包括氣霧化法、旋轉(zhuǎn)式電極霧化法和等離子球化法。

1.氫化脫氫法

利用鈦和氫的可逆反應(yīng)實(shí)現(xiàn)鈦粉制備。Ti和H2在一定溫度和壓力條件下，反應(yīng)生成TiH2，其脆性較高，通過(guò)機(jī)械手段破碎可以得到微粉，再將微粉脫去氫氣，即可得到純鈦粉。該工藝可選用海綿鈦或殘余鈦?zhàn)髟?，?duì)設(shè)備的要求較低，可有效降低制鈦成本，是目前最常用的鈦粉制備工藝，非常適合工業(yè)化的大量生產(chǎn)。

2.熱還原法

高溫條件下，利用活潑金屬（鈣、鈉、鎂等）將鈦的氯化物或鈦鹽還原成鈦，從而得到鈦粉，或通過(guò)真空蒸餾法熔煉鈦礦石、去除氯化物，從而得到高純金屬鈦粉。該工藝反應(yīng)迅速，通過(guò)該工藝制備的鈦粉純度較高，但粉質(zhì)粒度相對(duì)較粗，且金屬還原劑可循環(huán)使用，因而降低了生產(chǎn)成本。

3.氣霧化法

采用該工藝，將鈦原料加熱成溶體后，利用高壓氬氣氣流沖擊金屬液流，直至霧化，得到微細(xì)的液滴，經(jīng)冷卻后可以得到球狀粉末。一般來(lái)說(shuō)，該工藝包括電極感應(yīng)式熔融氣體霧化和等離子惰性氣體霧化兩種方法。第一種方法運(yùn)用無(wú)坩堝技術(shù)，將加工成棒狀的鈦加熱熔化，鈦在熔化過(guò)程中不與坩堝接觸，產(chǎn)生的污染更小，霧化粉末較純凈，且受熱范圍小，加熱速度快，能耗低；第二種方法將原料制成預(yù)合金棒，利用等離子熱弧熔煉于冷水銅坩堝中，與坩堝底部相連的感應(yīng)加熱漏嘴系統(tǒng)，可以將金屬液流引入氣體霧化噴嘴中進(jìn)行霧化。通過(guò)氣霧化得到的鈦合金粉末成分均勻、粒度較細(xì)、含氧量較低，但粉體會(huì)有空心球，雜質(zhì)較多，成本也將大大增加。

4.旋轉(zhuǎn)電極霧化法

球狀鈦粉生產(chǎn)中最常用的是旋轉(zhuǎn)式電極霧化；法。在此過(guò)程中，需將事先預(yù)制的電極棒置于高速旋轉(zhuǎn)軸上，使之在等離子熱弧的作用下熔化，熔融金屬滴在離心力的作用下，會(huì)沿切線方向發(fā)散成細(xì)小的液滴，最終凝固球化成粉。整個(gè)過(guò)程需要在真空或惰性氣體的保護(hù)下進(jìn)行。

利用該工藝得到的粉粒范圍較窄，球形較好，雜質(zhì)含量較低，且沒(méi)有空心，但受限于電極棒的直徑、旋轉(zhuǎn)速度等因素，粉粒一般較粗，制作費(fèi)用較高。

5.射頻等離子球化法

該工藝是在惰性氣體的保護(hù)下，將粉末輸送到等離子高溫區(qū)，熔融成細(xì)小的液滴，利用液滴表面的張力形成球形，冷卻后得到粉末。該工藝是一種新型鈦粉制備工藝，粉末的球形度好，無(wú)空心缺陷。

（二）鈦粉成型工藝

鈦粉成型工藝是指將鈦粉制備成一定形狀和尺寸的坯體，以用于燒結(jié)致密化。目前，粉末冶金鈦合金的成形工藝主要包括以下幾類(lèi)：

1.模壓成型

一般是指冷模壓制成型。將鈦或鈦合金粉末裝入鋼模，并施加壓力，使之形成具有一定強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)壓坯。該工藝成本較低，適用于大批量連續(xù)生產(chǎn)，可用于制備高精度零件，但生產(chǎn)過(guò)程中難以控制氧含量，燒結(jié)致密度低，因此應(yīng)用較少。

2.冷等靜壓成型

將粉末裝入硅膠、橡膠等具有彈性的模具，利用液體對(duì)模具施加壓力，得到密度較高的坯料。其優(yōu)勢(shì)主要包括可制備大尺寸、形狀復(fù)雜的坯料；液體壓力傳導(dǎo)各處均等，得到的坯料密度分布均勻，不存在密度差；模具材料為硅膠或橡膠，制模成本較低。

3.金屬注射成型

金屬注塑成型是一種將傳統(tǒng)的粉末冶金工藝和塑料注塑工藝相結(jié)合的成型工藝。將鈦粉和有機(jī)黏結(jié)劑的混合物加熱后，注入不同的形狀模腔，冷卻后，通過(guò)化學(xué)脫脂和熱脫脂工藝，從坯體中脫出有機(jī)黏結(jié)劑。該工藝的最大特點(diǎn)為尺寸的精度高，能成型復(fù)雜形狀的零件，且能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。但與此同時(shí)，該工藝表現(xiàn)出的明顯問(wèn)題是，機(jī)件中會(huì)殘留有機(jī)黏結(jié)劑，造成鈦合金基體中氧碳雜質(zhì)大量增加，塑性急劇降低。因此，開(kāi)發(fā)無(wú)殘留的黏結(jié)劑是該工藝發(fā)展的關(guān)鍵。

4.凝膠注模成型

凝膠注模成型工藝需要先配置一定濃度的有機(jī)單體預(yù)混液，添加分散劑，使金屬粉末在其中形成流動(dòng)性極好的懸浮漿料，再利用引發(fā)劑使有機(jī)單體聚合，通過(guò)聚合形成的三維聚合物，將模具中的粉末包裹起來(lái)，干燥后能得到具有一定強(qiáng)度的坯體。

（三）鈦粉燒結(jié)工藝

鈦粉燒結(jié)工藝是指通過(guò)燒結(jié)形成致密性、機(jī)械性良好的鈦或鈦合金粉末，這是粉末冶金的一道關(guān)鍵工序。鈦合金化學(xué)性質(zhì)活潑，在燒結(jié)過(guò)程中需嚴(yán)格控制含氧量，避免氧化，目前常用的燒結(jié)工藝主要包括以下幾種類(lèi)型：

1.真空燒結(jié)

真空燒結(jié)對(duì)設(shè)備的要求較低，適于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，是目前最常用的粉末冶金鈦合金燒結(jié)工藝。燒結(jié)過(guò)程中，可以將壓坯吸附氣體、孔隙中殘余氣體及反應(yīng)放氣排出，減少環(huán)境中的雜質(zhì)氣體，促使燒結(jié)致密化。

2.氣氛燒結(jié)

該方法是指在氫氣氣氛中進(jìn)行燒結(jié)，其可以對(duì)粉末冶金鈦合金的性能起到促進(jìn)作用，從而全面提高合金的抗拉和抗壓性能。

3.熱等靜壓燒結(jié)

在密閉的金屬套筒內(nèi)裝填粉末，經(jīng)過(guò)高溫、高壓的共同作用，最終可制成高致密度燒結(jié)坯。它具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)：能使燒結(jié)溫度降低，有利于獲得細(xì)小組織的晶粒；能得到不含孔隙的燒結(jié)組織，達(dá)到全致密燒結(jié)；致密化性能明顯提高；通過(guò)改變包套形狀，可以使復(fù)雜形狀的部件得到近凈的成形和制備。

4.放電等離子燒結(jié)

放電等離子燒結(jié)工藝將原料粉末裝入石墨模具，通過(guò)脈沖電流產(chǎn)生的等離子活化燒結(jié)，在較低溫度和較短時(shí)間內(nèi)獲得致密組織的一種快速燒結(jié)技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時(shí)間短、粉末固結(jié)迅速，得到的燒結(jié)組織較為均勻、細(xì)小，適用于配制復(fù)合材料。

三、粉末冶金鈦合金的應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）在航空、航天、航海領(lǐng)域的應(yīng)用

在航空航天領(lǐng)域，鈦合金主要應(yīng)用在兩個(gè)方面，分別是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的制造和飛機(jī)架構(gòu)構(gòu)件的材料組成，能否被加工成所需的部件，是考量的重點(diǎn)之一。除此之外，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)因其工作環(huán)境的特殊性，對(duì)使用材料的高溫抗拉強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性等方面，都有很高的要求；飛機(jī)架構(gòu)構(gòu)件需要材料具有抗折韌性、抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等基本性能。相比傳統(tǒng)的熔鑄制備形式，粉末冶金成形技術(shù)在該領(lǐng)域具有制備過(guò)程簡(jiǎn)單、周期短的先天優(yōu)勢(shì)，可以降低成本，減少材料的內(nèi)部缺陷；鈦合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的使用主要從冷端向熱端發(fā)展，就是我們常說(shuō)的風(fēng)扇和渦輪，并在結(jié)構(gòu)材料的使用方面向高強(qiáng)、高韌性、高模量、高抗蠕變能力和高抗氧化性的方向發(fā)展，鈦基金屬間化合物多孔材料高溫強(qiáng)度優(yōu)異，可作為空間技術(shù)開(kāi)發(fā)中飛行器和高超音速飛行器的隔熱材料。

另一方面，鈦材在潛艇、深水探測(cè)艇、超級(jí)運(yùn)輸船等海洋工程以及海岸建筑中的應(yīng)用逐漸增多，海洋用結(jié)構(gòu)材料要求適應(yīng)高航速和高載重量，具有抗風(fēng)浪、耐腐蝕、抗深海壓力和動(dòng)態(tài)負(fù)荷的能力。

（二）在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用

汽車(chē)上使用鈦合金，能大幅提高工作效率，減少噪音、尾氣排放，達(dá)到改善環(huán)境的目的。粉末冶金鈦合金主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和底盤(pán)，如閥門(mén)、閥簧、連桿、排氣系統(tǒng)、半軸、各種同緊件等，在生產(chǎn)零部件時(shí)，可降低原材料的成本及機(jī)械加工成本，是目前較為常用的汽車(chē)零部件制作方法。

（三）在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

鈦是一種非常環(huán)保的金屬材料，對(duì)人體的兼容性較高，因而被廣泛應(yīng)用于制藥設(shè)備。人體種植體材料可選用羥磷灰石（簡(jiǎn)稱(chēng)HA）和鈦合金的復(fù)合材料，并綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有較好的生物活性及力學(xué)性能，具有很強(qiáng)的耐用性、良好的固定性、優(yōu)異的生物相容性，可用于制造人造關(guān)節(jié)；多孔Ni-Ti形狀記憶合金（簡(jiǎn)稱(chēng)SMA）是一種智能材料，即便在高溫環(huán)境下和承受較大的塑性變形后，也能恢復(fù)如初。心臟支架手術(shù)使用的是SMA制成的小支架，可以疏通堵塞的動(dòng)脈管腔，使血液流通順暢。這種支架可以應(yīng)用在很多人體器官上，如食管、氣管、膽道系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)等。同時(shí)，也可利用多孔Ni-Ti合金材料，制造骨科脊柱損傷治療融合器，改善骨細(xì)胞的生長(zhǎng)環(huán)境，使骨生長(zhǎng)細(xì)胞及營(yíng)養(yǎng)滲透至彼此連結(jié)的微孔，加速骨重建；鈦的導(dǎo)熱性能較差，有保護(hù)牙髓的作用。因此，鈦及其合金正逐漸取代原有的牙科材料，成為目前牙科材料中最理想的一種。

（四）其他應(yīng)用

鈦的耐腐蝕性能非常優(yōu)秀，在石油化工、鹽業(yè)、堿業(yè)等行業(yè)有著非常廣泛的用途，可用于制造反應(yīng)器、貯罐、冷凝器、熱交換器、蒸發(fā)器、冷凍泵等，且制作成本較低，用量非常巨大。鈦金屬陽(yáng)極電解槽被大量應(yīng)用于氯堿生產(chǎn)，效果顯著；鈦合金復(fù)合材料還可用于渦輪機(jī)、葉片、電刷等高溫結(jié)構(gòu)材料、自潤(rùn)滑材料及電極材料，在很多領(lǐng)域都具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

四、粉末冶金鈦合金的發(fā)展方向

（一）低間隙微細(xì)鈦粉的制備

鈦粉作為粉末冶金鈦合金制備的原料，對(duì)鈦合金的品質(zhì)具有很大影響，目前常規(guī)的粉末冶金鈦產(chǎn)品雜質(zhì)含量過(guò)高，導(dǎo)致產(chǎn)品性能不佳、塑性過(guò)低，不能作為常規(guī)材料進(jìn)行后續(xù)加工。如何合理降低鈦粉粒度、制備低間隙微細(xì)鈦粉、提高產(chǎn)品性能，是未來(lái)粉末冶金技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。鈦粉在制備過(guò)程中極易與空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成氧氮含量偏高，因此，在制粉過(guò)程中，必須嚴(yán)格控制氧氮含量，才能細(xì)化鈦粉粒徑，使成品鈦粉成型燒結(jié)后的性能達(dá)到使用需求。

（二）大尺寸粉末冶金制品的制備

采用粉末冶金技術(shù)成型、鍛造加工后得到的產(chǎn)品性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的熔鑄工藝產(chǎn)品。但是，受限于成型和燒結(jié)技術(shù)，大尺寸粉末冶金產(chǎn)品的制備量并不能滿足市場(chǎng)需求。在這方面，冷等靜壓技術(shù)具有較大的潛力，但成型精度仍需進(jìn)一步提升，未來(lái)可作為重點(diǎn)發(fā)展方向。

（三）高性能鈦合金制備

粉末冶金鈦合金未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是如何調(diào)整工藝，從而消除粉末冶金鈦合金中的孔隙，提高其使用性能。研究表明，采用靜壓技術(shù)消除氣孔得到的鈦合金產(chǎn)品，性能明顯優(yōu)于常規(guī)鍛造產(chǎn)品，致密性可達(dá)到100%。

五、結(jié)語(yǔ)

利用率高、能耗低、經(jīng)濟(jì)效益高的粉末冶金鈦合金制備工藝，近年來(lái)受到世界各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注。我國(guó)的鈦材儲(chǔ)量約占世界鈦材儲(chǔ)量的一半，鈦合金產(chǎn)品必然會(huì)隨著新材料、新工藝、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，在人們的生活中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。粉末冶金鈦合金產(chǎn)業(yè)也會(huì)因此得到迅速發(fā)展，進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：吉?jiǎng)P恩（丹陽(yáng)）工業(yè)有限公司）

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