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论述粉末冶金钛合金制备技术的应用与发展钛是继钢铁、铝材之后的重要战略金属材料，具有密度小、比强度高、耐热性强、耐腐蚀性好、良好的生物相容性等一系列优异性能，被誉为“第三金属”，“太空金属”，“海洋金属”，在航空航天、武器装备、汽车舰船、石油化工等领域起到关键作用[1,2]中国钛资源一直居世界首位，占世界已开采储量的64%左右[3],2018年我国全年海绵钛产量超过7.4万t，较2017年增长2.8%，钛加工材产量超过6.3万t，较2017年增长14.4%[4]，钛加工材需求量正在快速增加随着国产大飞机C919的问世，武器装备轻量化需求的提出，以及建设海洋强国战略的开展，钛合金的发展已经成为影响国家战略发展的重要一环而钛合金的粉末冶金制备技术作为钛合金制备工艺中最具潜力的方法，值得我们重点关注[5,6,7,8,9]本文介绍了粉末冶金钛合金与传统熔铸法的特点及优缺点，及粉末冶金钛合金的主要生产工艺，并且提出了未来粉末冶金钛合金的发展方向，为粉末冶金钛合金的发展提供新的思路1、粉末冶金钛合金特点目前钛材的生产工艺以传统熔铸法和粉末冶金法为主在传统熔铸法生产过程中，由于钛化学性质活泼，在熔融状态下易与常见的耐火材料发生反应，如表1所示，在钛的熔点附近无法找的适合的耐火材料，因此必须采用无坩埚或水冷铜坩埚熔炼，同时由于钛会吸收空气中的氧氮杂质，所以熔炼必须在高真空或高纯惰性气氛条件下进行。

目前比较成熟的熔炼工艺是真空电弧熔炼或冷床炉熔炼表1 耐火材料与熔融钛的反应情况真空电弧炉熔炼钛合金需要将海绵钛和合金材料焊接后作为电极，水冷铜坩埚作为另一电极，在两电极间引弧，电极前端受电弧高温熔化滴入水冷铜坩埚，冷凝成为钛锭此工艺需要预制电极，还需要至少两次以上的熔炼才能得到成分均匀的合金，同时还会存在低密度夹杂和高密度夹杂[10]冷床炉熔炼钛合金是利用高能电子束枪或等离子枪的能量使原料熔化，然后流入精炼区，在精炼区的液态金属经过高温熔解、沉淀捕捉等机制去除杂质和夹杂，最后经过净化的熔液流入坩埚，并在坩埚底部逐渐凝固被拉出利用该技术可以大大减少熔炼过程中的夹杂，但设备投入成本高，工艺能耗高，设备一般依赖进口，且熔炼过程中低熔点合金成分损失较多，易造成成分损失[11]粉末冶金制备工艺是以金属粉末作为原料，经过成形和烧结，在低于熔点的温度下得到最终产品，可以实现近净成形，减少了传统工艺伴随的加工成本最早在19世纪40年代，WilliamJ.Kroll就曾尝试利用海绵钛细颗粒进行冷压烧结制备致密钛金属材料，但受制于粉末颗粒较高的残余MgCl2等杂质而停滞80年代起，随着氢化脱氢法、气雾化法和旋转电极雾化法等各种制粉工艺的相继出现，粉末冶金技术进入快速发展阶段，根据所用粉末的不同可以分为预合金（PA）法和混合元素（BE）法。

预合金法一般利用气雾化法或旋转电极雾化法得到预合金粉，经热等静压、注射成形、增材制造等方法得到近终成形产品混合元素法一般采用氢化脱氢或还原法得到纯钛粉，与合金粉末混合后，经模压或冷等静压成形，真空烧结得到最终产品2010年起ADMAProducts和DynametTechnology两大公司大力发展混合元素工艺，用以制备低成本、高性能钛合金产品2013年美国Dynamet公司利用粉末冶金工艺（冷等静压成形-真空烧结-热等静压）生产钛合金，达到波音公司的要求，荣获2013年国际钛协会应用开发大奖[12]，标志着粉末冶金钛合金进入新一轮快速发展阶段，两种工艺与传统熔铸法的对比如表2所示表2 粉末冶金工艺与熔炼工艺对比由表2可知，粉末冶金法在制备成本、成分均匀性和近净成形上具有较大优势，利用粉末冶金方法生产钛合金，由于烧结温度较低，钛合金不会与坩埚材料反应，而且成分均匀无偏析，避免了熔炼过程中的各种问题，还可以实现细晶组织的制备，已被视为最有潜力的钛合金制备方法，引起了各国学者的广泛关注[13,14]2、粉末冶金钛合金制备技术2.1钛粉制备工艺钛粉的常规制备方法主要有氢化脱氢法、还原法、氩气雾化法、旋转电极雾化法和射频等离子体球化法等，其中氢化脱氢法和还原法主要用于制备非球形钛粉，氩气雾化法、旋转电极雾化法和射频等离子体球化法主要用于制备球形钛粉。

不同方法的对比如表3所示氢化脱氢法是目前最成熟的钛粉制备工艺，利用钛和氢的可逆反应制备钛粉，一般以海绵钛或残钛为原料，经氢化、破碎、脱氢，得到纯钛粉由于对设备要求较低，十分适合工业化生产日本东邦钛公司通过改进的氢化脱氢工艺进行钛粉的工业化生产，建立了年产30t的生产线，制备的钛粉粒度小于150μm，氧含量低于0.15%（质量分数，下同）美国ADMAProducts公司以残钛为原料，利用氢化脱氢工艺大幅度降低了钛粉的生产成本[15]中南大学的何薇等[16]利用NaCl作为阻止剂，在氢化脱氢过程中对氢化粉末进行包覆，阻止钛粉脱氢加热过程中粉末颗粒的长大，得到了中位粒径6.16μm的微细钛粉，但阻止剂的引入造成了钛粉氧含量的增加翁启刚等[17]以电解钛为原料，利用氢化-球磨破碎-脱氢工艺，制备了中位径11.04μm的微细钛粉，并对制备过程中氧含量增加情况进行了分析表3钛粉制备工艺对比还原法是利用其它活泼金属对钛的化合物进行还原制备钛粉，最常见的是Armstrong钠还原法制备钛粉Armstrong钠还原法是将TiCl4气体注入过量的熔融钠中，反应后去除过量的钠和盐，得到钛粉该方法可制备氧含量为0.2%的钛粉，目前在日本有一定量的生产应用，但技术仍不够成熟，设备及生产工艺需要优化[18]。

最近Hong等[19]利用钙蒸气对钛粉表面的氧化膜进行还原，在1000℃反应后利用盐酸分离氧化钙和钛粉，钛粉氧含量降低了61.7%，达到805ppm，开拓了低氧钛粉制备的新思路氩气雾化法是借助高速氩气气流冲击金属液流，使其破碎成细小的颗粒，经冷却得到金属粉末的方法该方法制备钛粉最早由美国的Crucibleresearchcenter开发并申请了相关专利，随后建立了年产11t的生产线[20]日本的OsakaTitanium[21]利用感应熔炼气雾化法生产的TILOP级Ti6Al4V粉末球体形状和纯度相对较高，被认为适用于增材制造领域陆亮亮等[22]以钛丝为原料，利用高频感应加热设备在氩气环境下对钛丝进行加热，经氩气雾化后得到平均粒径为41.8μm的球形钛粉，粉末球形度高，卫星球少，性能满足增材制造用粉要求等离子旋转电极雾化（PREP）法属于离心雾化的一种，利用高速旋转的离心力将金属电极端面的熔融液滴甩出，经冷凝得到细小液滴该方法球形度好，基本无空心球等缺陷，但受限于电极的转速和钛液黏度，粉末整体粒度偏粗，约为100μm英国LPW公司、湖南顶立科技等公司已经在该领域开展了多年的研究并实现了规模化生产。

湖南顶立科技有限公司[23]在现有的技术基础上，研究连续进给料、密封、自动起弧与信息反馈、智能控制等装备技术和旋转雾化制粉工艺，开发了最新一代等离子旋转电极雾化制粉系统，得到球形钛粉D50小于等于45μm，单炉产量大于400kg，细粉收得率大于15%，该技术可生产多种钛合金及其他金属球形粉末射频等离子体球化法是将不规则形状钛粉送入射频等离子体中，利用等离子体的瞬时高温，将钛粉颗粒熔融，在钛液表面张力作用下形成球形液滴，经冷却后得到球形钛粉由于射频等离子体温度远超材料熔点，该工艺特别适合难熔金属球形粉末的生产，得到粉末球形度高，无空心粉，但成品受限于原料粉末粒度，且细粉送料存在一定困难古忠涛等[24]利用射频等离子体球化工艺处理不规则的钛粉，经过球化处理后，粉末粒径分布变窄，同时杂质含量降低盛艳伟等[25]为解决球化过程中送粉难的问题，以粗颗粒氢化钛粉末为原料，将射频等离子体球化处理技术与氢化脱氢技术相结合，使氢化钛粉末在球化的同时进行脱氢分解，该工艺可实现20～50μm球形钛粉的制备，球化率可达到100%2.2钛粉成形与致密化工艺近年来钛粉的成形与致密化工艺更加丰富，不同工艺制备的Ti6Al4V制品性能如表4所示[26,27,28,29,30,31]。

可以看出不论是采用冷等静压+真空烧结的传统工艺，还是热等静压、增材制造、注射成形等新工艺，均取得了不错的效果，可以实现粉末冶金钛合金性能的大幅度提升表4 不同成形与致密化工艺下钛制品性能美国Dynamet公司利用冷等静压+真空烧结工艺开发的大尺寸钛合金构件得到了波音商用飞机公司的认可，该产品经锻造后性能满足了航空材料的使用需求图1为Dynamet公司利用该工艺开发的一系列钛合金产品Kumar等[32]利用冷等静压和在β转变温度下的低温烧结加速自扩散，获得了高密度（约98%）的高疲劳性能钛合金，改善了粉末冶金钛合金疲劳性能差的缺点乌克兰的Ivasishin等用氢化钛粉代替普通钛粉，经冷压成形和真空烧结等工艺后，制备的粉末冶金产品的密度达到了理论密度的97%[33]北京科技大学的ZHANG等[26]利用平均粒度10μm的氢化钛粉，经真空无压烧结得到致密度99.5%的Ti6Al4V，抗拉强度935MPa，屈服强度865MPa，伸长率达到15.8%，性能达到锻件水平图1 Dynamet公司利用粉末冷等静压+真空烧结工艺制备的产品热等静压一直以来都是粉末冶金钛合金致密化的重要手段，随着需求的不断增加，热等静压的复杂程度逐渐提高，零部件尺寸也逐渐增大。

成立于2000年的SynertechPM公司一直致力于热等静压钛合金火箭引擎、气体压缩机、喷气发动机及机身零部件的制备，通过对粉末在复杂形状HIP包套中的固结和收缩模型进行分析，应用先进的粉末充填与脱气技术，从而实现对材料形状、性能和表面质量的高度控制图2为该公司开发的发动机大型框架部件赵冰[34]等针对钛合金复杂空心结构难以成形的问题，利用热等静压工艺，通过对结构的分解、加工与组合，在800～900℃、100～200MPa、1～3h条件下，实现了钛合金矩形、锥形和桶形空心结构件的制备郎利辉等[35]利用有限元软件对钛合金粉末热等静压过程中的变形和致密化规律进行了研究，得到的粉末冶金Ti6Al4V材料抗拉强度为971MPa，屈服强度为920MPa，伸长率为15.5%，性能达到锻件水平图2 SynertechPM公司利用热等静压技术开发的Ti-6Al-4V发动机大型框架部件粉末冶金注射成形是粉末冶金技术和塑料注射成形技术相结合的零部件快速制造工艺将粉末与有机粘结剂均匀混合，经制粒后，在加热状态下用注射成形机成形出所需零件形状，经物理或化学方法脱除粘结剂后，经高温烧结致密化而获得所需的零件。

该方法能便捷的生产形状复杂、批量大、小且细致、难以加工，外观重要、性能优越的零件[36]但对于钛合金，有机粘接剂的脱出存在一定困难，残留的碳氧杂质会大幅度降低材料的塑性，该问题成为注射成形钛合金研发的重点2000年，最大的钛注射成形生产商Injex公司，每月可生产2～3t注射成形件，大多数为低应力件，如高尔夫球头、汽车变速杆、手术器械、玩具、表壳、表带和表扣等[37]图3为注射成形制备的钛合金零部件名古屋国家工业学院[38]还将金属注射成形技术用于Ti6Al4V合金粉末的注射成形，研究了不同的注射成形参数对成形部件微观结构和机械性能的影响，在1000℃烧结，可得到相对密度大于96%，抗拉强度为950MPa的Ti6Al4V合金广州有色金属研究院的蔡一湘等[39]通过不同种类钛粉的组合，调整体系的粉末形状和粒度组成，降低初始氧含量，改善了注射、脱粘和烧结过程的工艺特性图3 注射成形制备的钛合金零部件增材制造是基于离散-堆积原理，以零部件的数字模型为基础，由金属粉末直接制造零部件的快速成形制造工艺，特别适合钛合金等难加工材料的近净成形北京航空航天大学的王华明等[40]基于金属构件激光增材制造过程。