氫化－脫氫鈦粉末注射成形工藝實(shí)驗(yàn)研究*

顧永華，許建文

（華僑大學(xué) 模具技術(shù)研究中心，福建 廈門 361011）

鈦及其合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐蝕性好、高溫抗蠕變、焊接性能優(yōu)良、生物相容性優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，但鈦熔煉困難，制備成本高，尤其是機(jī)加工性能差，鈦及其合金目前多在航空航天、醫(yī)療等性能因素占主導(dǎo)地位的領(lǐng)域應(yīng)用［1］.粉末冶金是一種以金屬粉末為原料的成形方法，先將粉末成坯，再進(jìn)行燒結(jié)（通常低于熔煉溫度），過程無切削或少切削，是一種凈成形方法，特別是近年來發(fā)展的金屬粉末注射技術(shù)，能大批量生產(chǎn)形狀復(fù)雜金屬制品，越來越受到人們重視［2～3］，該技術(shù)使鈦及其合金的廣泛應(yīng)用成為可能.

粉末注射成形多采用球狀的氣霧化粉末，易成型，但氣霧化粉成本高，限制了進(jìn)一步應(yīng)用.當(dāng)前一種低成本鈦粉制備方法是氫化－脫氫（HDH）法［4～7］，HDH鈦粉為不規(guī)則形狀，喂料制備、注射成型及燒結(jié)控制困難，關(guān)于該方面的研究成果鮮有報(bào)道［8］.本文通過實(shí)驗(yàn)研究HDH鈦粉末注射工藝，旨在尋求一種低成本純鈦工件制備工藝，以獲得組織均勻、力學(xué)性能較好的鈦制品.

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用－325目氫化－脫氫（HDH）鈦粉成分如表1所示，鈦粉末為不規(guī)則形狀.粘結(jié)劑采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)65；石蠟（PW）、15；低密度聚乙烯（LDPE）、15；聚丙烯（PP）、5；硬質(zhì)酸（SA），粉末體積裝載率為57；.將鈦粉與粘結(jié)劑于混煉機(jī)內(nèi)160℃共混2h.注射溫度 160℃，注射壓力110MPa，注射標(biāo)準(zhǔn)拉抻試樣100mm ×7mm ×4mm，脫脂采用溶劑脫脂法和熱脫脂法結(jié)合，脫脂溫度采用參考熱重分析（TGA）和差熱分析（DTA），脫脂溶劑采用三氯乙烯溶液，熱脫脂與燒結(jié)采用TH－VTS50真空脫脂燒結(jié)一體爐，用GX51F金相顯微鏡觀察試件斷面，燒結(jié)密度通過排水法測量，WD－E拉伸力學(xué)性能在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上測定.

表1 HDH鈦粉末的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；

2 試驗(yàn)與分析

2.1 溶劑脫脂

實(shí)驗(yàn)溫度選擇40℃、50℃、60℃、70℃.同一實(shí)驗(yàn)條件同時(shí)放入3個(gè)生坯，0.5h、1h、2h、3h、4h、5h后對脫脂坯進(jìn)行干燥、稱量，計(jì)算各試樣脫脂率，并取平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 不同條件下的溶劑脫脂率

2.2 熱脫脂

DSC曲線如圖1，根據(jù)粘結(jié)劑的組成，分析如下：55℃左右的放熱峰對應(yīng)PW的熔點(diǎn)；110℃放熱峰對應(yīng)LDPE的熔點(diǎn)；125℃吸熱峰對應(yīng)少部分SA的分解；200℃左右的微小放熱峰對應(yīng)PP的熔點(diǎn)；350℃左右吸熱峰對應(yīng)LDPE分解；470℃吸熱峰對應(yīng)PP的分解.

由TG曲線可看出，在30℃ ～260℃區(qū)間，對應(yīng)PW和少部分SA分解揮發(fā)；在260～325℃區(qū)間，粘結(jié)劑中低分子量組元開始熱解；325℃ ～600℃區(qū)間，LDPE和PP分解揮發(fā).

圖1 溶劑脫脂后注射坯TGA－DTA曲線圖

圖2 熱脫脂升溫曲線

綜上分析，選定圖2所示熱脫脂升溫曲線，脫脂初期階段（室溫至100℃），粘結(jié)劑還未熱分解，蒸發(fā)慢，產(chǎn)生蒸氣少，對坯體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響小，升溫速率可取2℃/min；100℃ ～330℃區(qū)間，粘結(jié)劑中低分子量組分開始熔融熱解，但粉末間尚未形成孔隙通道，如升溫過快，熱解作用將產(chǎn)生大量揮發(fā)性小分子氣體，使坯體起泡、變形、甚至開裂，因此采用較低升溫速率（1℃/min）；325℃后粘結(jié)劑中的石蠟（PW）已熱解完畢，粉末間孔隙通道已形成，粘結(jié)劑中的LDPE、PP開始分解，因此330～400℃區(qū)間升溫速率可加快至2℃/min；400℃ ～600℃階段，坯體中存在大量連通孔隙，可繼續(xù)保持快速升溫；升溫至600℃后保溫1h，隨爐冷卻，實(shí)驗(yàn)表明：經(jīng)溶劑脫脂和熱脫脂后坯體脫脂率可達(dá)97；，此時(shí)坯體依靠粉末顆粒間的嚙合力來支撐其形狀，對樣品操作須小心，避免崩塌.

2.3 燒結(jié)致密度

表3顯示了燒結(jié)相對密度與燒結(jié)時(shí)間和燒結(jié)溫度之間的關(guān)系.1150℃時(shí)，燒結(jié)相對密度隨燒結(jié)時(shí)間延長變化不明顯，表明1150℃燒結(jié)還不足以使粉末坯體進(jìn)一步致密化；1250℃時(shí)，致密化過程明顯加快，保溫2h相對密度可達(dá)86.7；，表明1250℃為較為合適的燒結(jié)溫度.

表3 不同燒結(jié)條件下的相對密度

2.4 顯微組織與力學(xué)性能

圖3可看出，隨燒結(jié)時(shí)間延長，孔隙數(shù)量逐漸減少；燒結(jié)2h后，多數(shù)孔隙逐漸趨于圓化，減少了微裂紋等缺陷的出現(xiàn).表4顯示：燒結(jié)溫度1150℃時(shí)，燒結(jié)體抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率隨保溫時(shí)間的延長而提高，燒結(jié)溫度1250℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度和伸長率隨保溫時(shí)間延長略有降低.圖4斷口形貌顯示，燒結(jié)體呈現(xiàn)明顯脆性斷裂特征.

圖3 燒結(jié)純鈦顯微組織

表4 不同燒結(jié)條件下注射純鈦的力學(xué)性能

圖4 拉伸試樣斷口形貌

3 結(jié)論

3.1 溶劑脫脂過程中，粘結(jié)劑脫除率隨著溫度上升和時(shí)間延長而提高.當(dāng)脫脂溫度70℃、5小時(shí)后，脫脂率基本保持不變，達(dá)到74.2；.

3.2 熱脫脂過程中，低溫階段升溫速率低，保溫時(shí)間長，高溫階段可提高升溫速率，減少保溫時(shí)間，在600℃保溫1h后，脫脂率達(dá)97；.

3.3 燒結(jié)階段，溫度升高，保溫時(shí)間延長，使燒結(jié)件致密度提高.1250℃保溫2h后相對密度達(dá)86.7；，抗拉強(qiáng)度385MPa，伸長率4.8；，除少量不規(guī)則孔隙外，殘余孔隙趨于圓形，減少了微裂紋等缺陷出現(xiàn)，獲得較好的力學(xué)性能.

［1］楊冠軍.鈦合金研究和加工技術(shù)的新進(jìn)展［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2001，（3）.

［2］熊運(yùn)昌，楊萍，丁文偉.金屬粉末注射成型技術(shù)及應(yīng)用［J］.新技術(shù)新工藝，2003，（3）.

［3］祝寶軍.硬質(zhì)合金注射成形工藝研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2002.

［4］喻嵐.注射成形鈦合金的研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2004.

［5］喻嵐，李益民，鄧忠勇，李篤信.采用氫化－脫氫（HDH）鈦粉和氫化鈦粉制備MIM Ti－6Al－4V合金［J］.稀有金屬材料與工程，2005，（10）.

［6］郭世柏，曲選輝，秦明禮，段柏華，何新波.鈦合金粉末注射成形熱脫脂工藝的研究［J］.材料工程，2006.（增刊）1.

［7］郭世柏，張厚安，張榮發(fā)，何新波，秦明禮，曲選輝.熱處理對粉末注射成形鈦合金的組織與性能的影響［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（7）.

［8］王瑞鋒，吳運(yùn)新，鄒欣，唐傳安.注射成形純鈦脫粘和燒結(jié)工藝研究［J］.粉末冶金技術(shù)，2006，24（2）.