鈦合金粉末冶金技術研究

李海泓，孫 慧

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

【機械制造與檢測技術】

鈦合金粉末冶金技術研究

李海泓，孫 慧

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

介紹了鈦合金粉末冶金技術和熱等靜壓，分析了熱等靜壓工藝過程和工作原理，給出了鈦合金粉末冶金技術的優(yōu)點，并對其應用進行了研究；利用鈦合金粉末冶金技術加工的空空導彈伺服機構殼體，其力學性能優(yōu)越，具有良好的微觀結構，內部無缺陷；使用該技術使伺服機構殼體的生產周期縮短了30%，材料利用率提高了60%，解決了之前伺服機構殼體采用鍛環(huán)加工帶來的交付瓶頸問題，并且使伺服機構殼體的加工性能和力學性能進一步提高，更能滿足空空導彈對高強度、高致密輕質材料的使用要求。

鈦合金；粉末冶金；熱等靜壓；空空導彈；伺服機構殼體

鈦合金具有韌性好、強度高、抗氧化能力強、耐腐蝕性好等優(yōu)點，廣泛應用于航空和航天等領域。然而由于鈦合金制品價格比較昂貴，從而限制了它的應用。鈦合金制品成本高的主要原因是傳統(tǒng)制造工藝復雜，二次加工時材料損失較大。為了降低成本，國內外大力發(fā)展鈦合金無切削、少切削的近凈成形工藝，鈦合金的粉末冶金技術就是這種近凈成形工藝之一，它是一種高效、優(yōu)質、精密、節(jié)能的先進鈦合金材料制備成型技術，可以實現機加無法加工或難加工零件的一次近凈成形，并且綜合性能優(yōu)越，相對不銹鋼等金屬而言重量較輕[1-4]。某型空空導彈伺服機構殼體，需要采用鈦合金材料，并且結構復雜，機加比較困難，生產周期較長，材料利用率低。如果采用鈦合金粉末冶金技術可以在短周期內加工出伺服機構殼體，提高材料利用率，并且零件力學性能優(yōu)越，完全滿足空空導彈使用要求。因此，先進空空導彈技術的發(fā)展離不開鈦合金粉末冶金技術的支持。

1 鈦合金粉末冶金技術

鈦合金粉末冶金技術通常采用熱等靜壓，它是一種低成本、高產量生產近凈成形部件的方法，基本上不需要進一步機加或調整，便可以很好地控制產品尺寸，并且零部件的穩(wěn)定性和可再制性極好，而且均勻性和力學性能可以完全得到保證。

1.1 熱等靜壓

熱等靜壓是一種集高溫和高壓于一體的工藝生產技術，加熱溫度通常為1 000～2 000℃，在高溫高壓密閉容器中以高壓惰性氣體或氮氣為傳壓介質，對其中的粉末或待壓實的燒結坯料或零件施加各向均等靜壓力，形成高致密度坯料或零件的方法，工作壓力可達200 MPa。在高溫高壓的共同作用下，被加工件的各向均衡受壓，使材料熱致密化[5-7]。

1.2 熱等靜壓的工藝過程

熱等靜壓的一般工藝過程如圖1所示，粉末填充一般在真空或惰性氣體氛圍中進行，為了提高填充粉末的密度，包套要不停的震動。為了得到統(tǒng)一的收縮，則需要填充粉末的密度應不低于理論密度的68%。填充后包套抽成真空并進行密封，這是因為熱等靜壓過程是通過壓差來固結被成型粉末和材料的，一旦包套密封不嚴，氣體介質進入包套，將影響粉末的燒結成型。另外，真空密封可以去除空氣和水，防止氧化反應[8]。

圖1 熱等靜壓的一般工藝過程

1.3 熱等靜壓的工作原理

根據帕斯卡原理，在一個密封的容器內，作用在靜態(tài)液體或氣體上的外力所產生的靜壓力，將均勻地在各個方向上傳遞，在其作用的表面積上所受到的壓力與表面積成正比。在高溫高壓作用下，熱等靜壓爐內的包套軟化并收縮，擠壓內部粉末使其與自己一起運動。高溫高壓同時作用下粉末的致密化過程與一般無壓燒結或常溫壓制有很大差異，其致密化過程大致分為3個階段，第1個階段是粉末的靠近與重排階段，第2個階段是粉末材料的塑性變形階段，第3個階段是粉末粒子的擴散蠕變階段。這3個階段并不是截然分開的，在熱等靜壓過程中它們往往同時起作用而促進粉末體的致密化，只是當粉末體在不同收縮階段，由不同的致密化過程起主導作用[9-11]。

1.4 鈦合金粉末冶金技術優(yōu)點

鈦合金粉末冶金技術被認為是進一步提高鈦合金性能和降低其價格的出路。與傳統(tǒng)方法相比，鈦合金粉末冶金技術有如下優(yōu)點：

1) 致密度高，在很低的溫度下粉末便可固結到很高的密度，具有良好的微觀結構，可實現完全致密，晶粒細小，組織均勻，構件內部無缺陷。

2) 具有較強的成形能力，由于非常一致的加熱，脆性材料也可被壓縮成型。易于制備形狀復雜的產品，可制備高性能多功能鈦基復合材料。

3) 生產周期短，工藝過程簡單，能耗低，材料損耗小，所制備的零件基本為凈形，可節(jié)省大量原材料，減少機械加工，降低成本，視零件形狀復雜程度，成本可降低20%～50%。

4) 材料性能優(yōu)越，可全面達到或超過鍛件的水平?？芍貜托院?，良好的批產質量穩(wěn)定性，無因材料問題導致的批產廢品，成品率高。

2 鈦合金粉末冶金技術的應用

隨著鈦合金粉末冶金技術的迅速發(fā)展，其制品已廣泛應用于航空航天和軍事工業(yè)上。包括航空發(fā)動機、航天器、氫泵葉輪、薄壁艙體、空氣舵骨架、導彈尾翼、貯箱、潛艇潛望鏡筒體等[12]。近年來，鈦合金粉末冶金技術已在空空導彈中得到應用，如某型空空導彈二艙殼體、舵翼面等。

某型空空導彈伺服機構殼體之前為了滿足使用要求，需要定購專用毛坯，該毛坯是由鈦合金鍛造而成的鍛環(huán)，材料致密化程度不高，內部缺陷較多，合格率較低，實現大批量供貨比較困難。鍛環(huán)合格后再對其進行機械粗加工與精加工，材料利用率只有10%，生產周期為6個月，已成為伺服機構的一個交付瓶頸，嚴重制約了伺服機構的生產交付。

如果采用鈦合金粉末冶金技術加工毛坯，可實現伺服機構部分低精度尺寸的一次成型，無需再進行機械加工，并且生產效率高，質量一致性好，成品率高。

粉末冶金毛坯交付后只需對其進行機械精加工即可，材料利用率達到70%以上，提高了60%，生產周期為4個月，縮短了30%，解決了伺服機構殼體的交付瓶頸問題。

如圖2所示為采用鈦合金粉末冶金技術試制的某型空空導彈伺服機構殼體，經超聲波無損檢測，未發(fā)現內部缺陷，致密化程度較高。其隨爐拉伸試棒(圖3)力學性能測試結果如表1所示，表2給出了鈦合金其他加工方法下的力學性能測試結果。

圖2 伺服機構粉末冶金殼體

圖3 隨爐拉伸試棒

表1 隨爐拉伸試棒力學性能測試結果

加工方法及狀態(tài)抗拉強度σp/MPa屈服強度σp0.2/MPa延伸率δ5/%斷面收縮率ψ/%粉末冶金(熱等靜壓)≥934≥866≥14.8≥42.8

表2 鈦合金其他加工方法力學性能測試結果

通過對比分析，采用鈦合金粉末冶金技術加工出的產品力學性能比鍛件更加優(yōu)越，抗拉強度和屈服強度較高，對粉末冶金材料比較困難的塑性指標延伸率和斷面收縮率均達到了較高水平。并且產品均勻致密，具有良好的微觀結構，晶粒細小，無內部缺陷，可以更好地滿足先進空空導彈對高強度、高致密輕質材料的使用要求。

3 結論

鈦鈦合金粉末冶金技術作為一種先進的鈦合金材料制備成型技術，已廣泛應用于航空航天和軍事工業(yè)上。隨著鈦合金粉末冶金技術的發(fā)展，它在空空導彈中的應用也越來越多，對某型空空導彈伺服機構殼體而言，采用鈦合金粉末冶金技術，可以大幅度提高材料利用率，縮短加工周期，降低生產成本，并且產品加工性能和力學性能更加優(yōu)越。可以更好地滿足先進空空導彈對高強度、高致密輕質材料的使用要求，因此，先進空空導彈技術的發(fā)展離不開鈦合金粉末冶金技術的支持。

[1] 王金友，葛志明.航空用鈦合金[M].上海:上海冶金出版社，1985.

[2] 喻嵐，李益民.粉末冶金鈦合金的制備[J].輕金屬，2003(9):43-46.

[3] Habel U，Mctiernan B J.HIP temperature and properties of a gas-atomized g-titanium aluminide alloy[J].Inter metallics，2004，12(1):63.

[4] Murali Gopinathan，Raman K M，Joseph C R，Hot Isostatic Pressing Furnaces [J].IEEE Control Systems Magazine，2000(9):80-82.

[5] 李少強，陳志勇.一種快速凝固高溫鈦合金粉末的熱等靜壓成形致密化過程及其機制研究[J].材料研究學報，2013，27(1):97-102.

[6] Wasielewski G E，Lindblad N R.Elimination of casting defects ueing HIP [C].Internationgal Conference on Superalloys(2nd).USA，1972:24.

[7] 徐建庭，莊景云.熱等靜壓(HIP)——消除鑄件缺陷的有效方法[J].鋼鐵研究學報，1982，2(1):29.

[8] 王亮，史鴻培.高性能鈦合金粉末冶金技術研究[J].宇航材料工藝，2003(3):42-45.

[9] 伍太賓.金屬注射成型工藝的研究進展[J].四川兵工學報,1995,16(2):2-4.

[10]江志強,楊合,詹梅,等.鈦合金管材研制及其在航空領域應用的現狀與前景[J].塑性工程學報,2009，16(4):45-47.

[11]邵沖,劉慧淵,李俊濤,等.熱等靜壓在鑄造高溫合金領域的應用[J].材料導報A,2012,26(10):121-123.

[12]錢九江.航空航天用新型鈦合金的研究發(fā)展及應用[J].稀有金屬,2000,24(3):218-220.

(責任編輯 唐定國)

Research of Titanium Alloy Powder Metallurgy Technique

LI Hai-hong， SUN Hui

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

This article introduced titanium alloy powder metallurgy technique and hot isostatic pressing, in which the process and operational principle of hot isostatic pressing were analyzed, meanwhile the advantages and application of titanium alloy powder metallurgy technique were researched. The air-to-air missile servo shell machined by titanium alloy powder metallurgy technique has superior mechanical properties, good microstructure and has no inner-flaw in it. The production cycle can be reduced 30% and the material utilization can be increased 60%, and it resolved bottleneck problem brought by servo shell in using forged ring processing delivery, and the processing properties and mechanical properties of servo housing were further improved, which can better meet the air-to-air missile on the use of high strength and high density of lightweight material requirements.

titanium alloy; powder metallurgy technique; hot isostatic pressing; air-to-air missile; servo shell

2015-01-15

李海泓(1985—)，男，工程師，主要從事伺服系統(tǒng)結構設計研究。

10.11809/scbgxb2015.08.022

李海泓，孫慧.鈦合金粉末冶金技術研究[J].四川兵工學報，2015(8):89-91.

format:LI Hai-hong，SUN Hui.Research of Titanium Alloy Powder Metallurgy Technique [J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(8):89-91.

TJ765

A

1006-0707(2015)08-0089-03