鈦合金粉末注射成型燒結工藝對性能的影響

張新房，孫明峰，鐘承盛

（深圳市泛海統聯精密制造股份有限公司，廣東 深圳 510000）

鈦合金是20世紀中期發展起來的一種重要金屬，由于其具有密度低、比強度高、耐蝕性好、耐熱性高、無磁、焊接性能好等優良性能，廣泛應用于航空航天、汽車、生物工程（良好的相容性）、手表、體育用品、環保等領域，但是鈦及鈦合金的機加工性能差，制造成本高，限制了其工業化應用，特別是在復雜零件上。粉末注射成形（Powder Injection Molding，簡稱PIM）技術是當今國際粉末冶金領域發展最快，被譽為當今最熱門的零部件制備技術。該技術是傳統粉末冶金成形技術與塑料注射成形技術相結合的產物，不僅具有常規粉末冶金工藝的工序少、無切削或少切削、經濟效益高等優點，而且克服了傳統粉末冶金工藝材料密度低、材質不均勻、機械性能低、不易成形薄壁、復雜結構件的特點，在制備幾何形狀復雜、組織結構均勻、高性能的近凈成形產品方面，尤其具有優勢。通過鈦合金粉末注射成形工藝可實現傳統工藝不能獲得的幾何形狀、力學性能及產品精度等;但鈦金屬活性很高，容易與碳、氧和氮等反應，生成TiC、TiO2、TiN 等化合物，使燒結密度難以提高，力學性能得不到改善。

本文研究了不同的燒結溫度、持溫時間對TC4最終致密化及力學性能的影響，為產業化金屬注射成形鈦合金提供工藝支撐。

1 實驗

（1）樣品制備過程：

樣品原料：自制TC4注射喂料(粉末來自TEKNA)。

樣品形狀：21mm圓形工件（注件制品）及標準拉伸件。

注射機器：日精 110T MIM注射機。

脫脂設備：XTS脫脂爐（硝酸型）。

燒結設備：恒普高真空爐金屬爐(220L)。

保護氣體：氬氣。

圖1 實驗主要設備

注：TC4樣品圓形注件坯及拉伸件都是在同樣的注射參數下進行，取10件圓形件無披鋒、氣泡、砂孔等不良的樣品，分成2組，每組5件（全部標記）進行測試，注件密度如下。

表1 （TC4注件密度）

此表數值保持均勻、穩定,波動很小表明所有測試件密度是一致的。

將測完密度之注件坯放入烘箱，調至30℃烘干60min以上，取出后冷卻至室溫，然后將每組注件坯用同樣的方式擺放在高純氧化鋯陶瓷板上，再放入脫脂爐同樣層數的脫脂爐內依次進行脫脂。各批次注件脫脂參數均一致，氬氣5m3/h、酸量240ml/h，脫脂完成后再將脫脂件放入燒結爐進行燒結。

Ti(%) Al(%) V(%) Fe(%) C(%) N(%) O(%)

Bal 5.5~6.75 3.5~4.5 ≤0.3 ≤0.15 ≤0.1 ≤0.4

（2）燒結是MIM工藝中的最重要的工序之一，不但脫除殘余粘結劑而且消除了粉末顆粒之間的孔隙，使得MIM產品達到全致密或接近全致密化，鈦合金的燒結需要較高的環境，燒結過程盡可能用氬氣保護，此試驗燒結設定為持溫時間保持120min不變，最高溫度為1220℃、1240℃、1250℃、1270℃和1290℃分別進行TC4拉伸件和圓形件燒結，其對應結果如下圖。

圖2 TC4拉伸件燒結過程

圖3 圓形件燒結過程

由圖3可以大致看出TC4持續120min情況下，在1250℃可以獲得較高的致密化，隨著溫度升高密度略有下降，這是因為過高的溫度出現晶粒長大同時晶界之間空隙也變大，這樣也導致高溫后標準拉伸件屈服強度會比1250℃還低。

圖4 1250℃下TC4金相圖

圖5 燒結后的TC4圓形件

（3）為掌握不同溫度及持溫時間與TC4燒結致密化的關系我們選擇1240℃、1250℃及1270℃進行如下圖試驗，燒結氣氛均為氬氣環境。

圖6 燒結氣氛均為氬氣環境

2 數據處理及分析

依據燒結后的樣品密度數據不難看出經過1250℃持溫120-180min要比其他工藝獲得之密度要高，根據圖3及圖4的關系我們也得出致密化和屈服強度的一致性，故而在1250℃持溫120min~180min獲得的致密化及力學性能是最高的；這是因為過高的溫度和過短的持溫時間在鈦合金燒結過程都沒有讓鈦合金晶體獲得最佳致密化，同樣低溫和過長保溫會因為晶界擴散速度較慢而粉末表面驅動能在不斷消耗，在晶界運動擴散過程無法達到晶格較好的重疊和滑移，這樣內部還有一定的空隙無法消除從而無法達到較好的致密化。

3 結論

MIM鈦合金產業化工藝較復雜，影響產品最終致密化及力學性能的因素較多，在此實驗條件下我們經過對產品密度及力學性能的綜合考量使用HP高真空金屬爐在1250℃持續燒結120min使得TC4有較高的密度同時獲得最大的屈服強度，為產業化的MIM-TC4做好工藝鋪墊。