鈦合金粉末冶金加工工藝——MIM和3D打印

鈦及其合金因具有密度低，比強(qiáng)度高，生物相容性和中高溫穩(wěn)定性好，以及良好的力學(xué)性能和優(yōu)異的耐腐蝕性，在航空航天、軍工及船舶等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)熔鍛的加工技術(shù)在制備大尺寸、簡(jiǎn)單形狀鈦型材或制品等方面具備優(yōu)勢(shì)，但在制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)、中小型的鈦制品上存在成品率低、資源浪費(fèi)大、生產(chǎn)成本高等問(wèn)題。粉末近終成形技術(shù)恰恰可以彌補(bǔ)這一技術(shù)缺陷，通過(guò)粉末制備、近終成形的技術(shù)路線能夠批量化或定制化的制造多種尺度、多種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的鈦合金制品。這類中小型制品在航空航天、軍工、醫(yī)療和民用消費(fèi)領(lǐng)域具有更大應(yīng)用潛力和產(chǎn)品附加值，是未來(lái)推進(jìn)鈦產(chǎn)業(yè)低碳、綠色制造業(yè)轉(zhuǎn)型的重要方向。

1、壓制燒結(jié)

美國(guó)在鈦粉壓制燒結(jié)制備鈦合金產(chǎn)品方面研究很早。Dynamet Technology公司一直致力于鈦粉壓制成形產(chǎn)品的生產(chǎn)，如圖1所示，部分產(chǎn)品已得到小規(guī)模應(yīng)用。該公司生產(chǎn)的第一種粉末冶金鈦制品是雷神公司的響尾蛇導(dǎo)彈上的圓頂外殼Ti-6Al-4V合金預(yù)成型件，后來(lái)還生產(chǎn)了粉末冶金Ti-6Al-6V-2Sn合金制品應(yīng)用于Stinger導(dǎo)彈彈頭外殼。由于其在鈦制品上顯著的貢獻(xiàn)，Dynamet Technology公司成為了波音公司的粉末鈦合金制品的唯一供應(yīng)商。此外，美國(guó)ADMA Products公司自1985年開(kāi)始生產(chǎn)粉末冶金鈦零件，部分產(chǎn)品應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。我國(guó)西北有色金屬研究院在鈦粉末近凈成形領(lǐng)域的研發(fā)也已有30多年的經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)的多孔鈦制品已經(jīng)應(yīng)用在化工、食品等領(lǐng)域，圖1（b）所示為應(yīng)用于過(guò)濾行業(yè)得粉末軋制多孔鈦板。

圖1 壓制成形鈦產(chǎn)品：

（a）美國(guó)Dynamet Technology公司生產(chǎn)的管坯及異形件

（b）西北有色金屬研究院制備的軋制鈦板

2、熱等靜壓

熱等靜壓（HIP）工藝是由美國(guó)巴蒂爾（Battelle）研究所在20世紀(jì)50年代發(fā)明的，該技術(shù)是一種以惰性氣體為傳壓介質(zhì)，在850-2000 ℃溫度和100-200 MPa氣壓的協(xié)同作用下，對(duì)制品進(jìn)行高溫壓制和燒結(jié)處理的技術(shù)，是目前粉末近凈成形鈦及鈦合金結(jié)構(gòu)件全致密化的最主要手段，制品具有組織均勻、無(wú)織構(gòu)、無(wú)偏析等特點(diǎn)。

國(guó)外發(fā)展鈦合金粉末熱等靜壓技術(shù)始于19世紀(jì)50年代，俄羅斯輕金屬研究所早在20世紀(jì)70年代在世界上最先研制出了整體復(fù)雜形狀的粉末鈦合金氫泵渦輪，并在RD-0120型氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)用；美國(guó)在20世紀(jì)90年代首先在航天領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，并逐步拓展到在航空、兵器領(lǐng)域，如PW公司的F110發(fā)動(dòng)機(jī)的連接桿，戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈F107發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，Sidewind導(dǎo)彈頭罩，F(xiàn)107巡航導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪，以及Stinger防空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部殼體等。

圖2：

（a）伯明翰 & R-R：V2500 鈦合金機(jī)匣

（b）Synertech公司ELI TC4葉輪

（c）Synertech公司ELI TC4機(jī)匣

（d）Courtesy Turbomeca公司直升機(jī)擴(kuò)壓器

3、粉末注射成形

金屬粉末注射成形（Metal Injection Molding，MIM）技術(shù)可直接制備出具有或接近最終形狀的零部件，避免或減少機(jī)加工，大幅度降低制備成本。因此，粉末注射成形技術(shù)是批量化制備鈦及鈦合金應(yīng)用零部件最為有效的技術(shù)手段之一。

電子通訊中的3C產(chǎn)品（包括手機(jī)、智能可穿戴，眼鏡框、5G信號(hào)件）是粉末注射成形技術(shù)的最主要應(yīng)用領(lǐng)域，占比達(dá)到84.2%。現(xiàn)階段主要以鐵基材料為主，而材料的輕量化設(shè)計(jì)和高品質(zhì)追求是3C產(chǎn)品未來(lái)發(fā)展的主要方向。鈦合金具有低密度（密度僅為鐵基材料的一半）、高強(qiáng)度、耐腐蝕等特點(diǎn)，滿足未來(lái)材料的輕量化高品質(zhì)設(shè)計(jì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年中國(guó)鈦?zhàn)⑸涑尚涡袠I(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到6.8億元，據(jù)需求方投入情況和供應(yīng)方營(yíng)收增長(zhǎng)情況推算，預(yù)計(jì)2026年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到20億元，年增長(zhǎng)率可達(dá)20.13%。

圖3 粉末注射成形鈦合金在消費(fèi)電子領(lǐng)域應(yīng)用：

（上）華為手表鈦合金表殼

（下）蘋(píng)果手機(jī)鈦合金邊框

4、增材制造

增材制造（Additive Manufacturing， AM）是一種通過(guò)點(diǎn)、線、面逐層累加的成形技術(shù)，它不受零件復(fù)雜程度的影響，能自動(dòng)、快速、準(zhǔn)確地完成復(fù)雜零件的設(shè)計(jì)與制造。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，增材制造在設(shè)計(jì)自由度、復(fù)雜零件成型以及材料利用率等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成為極具前景的鈦合金制造技術(shù)。根據(jù)SmarTech分析報(bào)道，2019年全球金屬3D打印市場(chǎng)達(dá)到33億美元，包括3D打印設(shè)備、材料和服務(wù)，預(yù)計(jì)在2024年將達(dá)到110億美元，鈦合金是其中最重要的打印金屬。

航空航天和軍工國(guó)防是鈦增材制造的第一大用戶，目前已成功用于航天發(fā)動(dòng)機(jī)小型精密構(gòu)件和航空大型復(fù)雜構(gòu)件的直接成形，如太空發(fā)射系統(tǒng)、飛機(jī)機(jī)翼、整體控制面和艙門、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等關(guān)鍵飛天裝備部件。

圖4 增材制造鈦合金在航空領(lǐng)域應(yīng)用：

（上）發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴

（下）軍機(jī)鈦合金框架

粉末作為上述粉末冶金近終成形工藝的基礎(chǔ)原料，其成本和品質(zhì)是影響粉末冶金制品價(jià)格和性能的最重要因素。為此，北京中科宏鈦新材料科技有限公司針對(duì)鈦合金粉末傳統(tǒng)制備工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴、細(xì)粉收得率低的技術(shù)瓶頸，歷經(jīng)三年研發(fā)另辟蹊徑首創(chuàng)了微細(xì)鈦粉制備新工藝，自主完成粉體生產(chǎn)級(jí)裝備的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了粒度可控新型高品質(zhì)鈦粉的批量化制備。

粉末細(xì)粉收得率由傳統(tǒng)35%提升至80%，成本降低40%以上，可適用于粉末注射成形、增材制造、粉末熱等靜壓等高端制造領(lǐng)域。主要產(chǎn)品類型包含純鈦、TC4、TA15等多種牌號(hào)可控粒徑的高品質(zhì)鈦基粉末，以及氫化鈦基合金粉末、氫化脫氫粉末、以鈦為代表的定制化金屬基復(fù)合材料粉末等。