钛是继钢铁、铝材之后的重要战术金属资料，拥有密度小、比强度高、耐热性强、耐侵蚀性好、优良的生物相容性等一系列优异机能，被誉为“第三金属”，“太空金属”，“海洋金属”，在航空航天、兵器设备、汽车舰船、石油化工等领域起到关键作用[1-2]。。中国钛资源一向居世界首位，占世界已开采储量的64%左右[3]，2018 年我国整年海绵钛产量超过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]，钛加工材需要量正在急剧增长。。随着国产大飞机C919 的问世，兵器设备轻量化需要的提出，以及建设海洋强国战术的发展，钛合金的发展已经成为影响国度战术发展的重要一环。。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步骤，值得我们重点关注[5-9]。。本文介绍了粉末冶金钛合金与传统熔铸法的特点及优弊端，及粉末冶金钛合金的重要出产工艺，并且提出了将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

目前钛材的出产工艺以传统熔铸法和粉末冶金法为主。。在传统熔铸法出产过程中，由于钛化学性质活跃，在熔融状态下易与常见的耐火资料产生反映，如表1 所示，在钛的熔点左近无法找的适合的耐火资料，因而必须选取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空气前提下进行。。目前比力成熟的熔炼工艺是真空电弧熔炼或冷床炉熔炼。。

真空电弧炉熔炼钛合金必要将海绵钛和合金资料焊接后作为电极，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溶解滴入水冷铜坩埚，冷凝成为钛锭。。此工艺必要预制电极，还必要至少两次以上的熔炼能力得到成分均匀的合金，同时还会存在低密度同化和高密度同化[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溶解，而后流入精辟区，在精辟区的液态金属经过高温熔解、沉淀捉拿等机制去除杂质和同化，最后经过净化的熔液流入坩埚，并在坩埚底部逐步凝固被拉出。。利用该技术能够大大削减熔炼过程中的同化，但设备投入成本高，工艺能耗高，设备通常依赖进口，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，能够实现近净成形，削减了传统工艺伴随的加工成本。。最早在19 世纪40 年代，William J. 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资料，但受制于粉末颗粒较高的残存MgCl2等杂质而滞碍。。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类制粉工艺的相继出现，粉末冶金技术进入急剧发展阶段，凭据所用粉末的分歧能够分为预合金（PA）法和混合元素（BE）法。。预合金法通常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、增材制作等步骤得到近终成形产品。；；；旌显胤ㄍǔＱ∪∏饣亚饣蚧乖ǖ玫酱款逊，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ADMA Products 和Dynamet Technology 两大公司大力发展混合元素工艺，用以制备低成本、高机能钛合金产品。。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）出产钛合金，达到波音公司的要求，荣获2013 年国际钛协会利用开发大奖[12]，标志取粉末冶金钛合金进入新一轮急剧发展阶段，两种工艺与传统熔铸法的对好比表2所示。。

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拥有较大优势，利用粉末冶金步骤出产钛合金，由于烧结温度较低，钛合金不会与坩埚资料反映，并且成分均匀无偏析，预防了熔炼过程中的各类问题，还能够实现细晶组织的制备，已被视为最有潜力的钛合金制备步骤，引起了列国粹者的宽泛关注[13-14]。。

2、粉末冶金钛合金制备技术

2.1 钛粉制备工艺

钛粉的通例制备步骤重要有氢化脱氢法、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重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重要用于制备球形钛粉。。分歧步骤的对好比表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映制备钛粉，通常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，极度适合工业化出产。。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出产，成立了年产30 t 的出产线，制备的钛粉粒度小于150 μm，氧含量低于0.15%（质量分数，下同）。。

美国ADMA Products 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出产成本[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的渺小钛粉，但阻止剂的引入造成了钛粉氧含量的增长。。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11.04 μm的渺小钛粉，并对制备过程中氧含量增长情况进行了分析。。

还原法是利用其它活跃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，反映后去除过量的钠和盐，得到钛粉。。该步骤可制备氧含量为0.2%的钛粉，目前在日本有肯定量的出产利用，但技术仍不够成熟，设备及出产工艺必要优化[18]。。最近Hong 等[19]利用钙 蒸气对钛粉理论的氧化膜进行还原，在1 000 ℃反映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805 ppm，启发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，使其破碎成藐小的颗粒，经冷却得到金属粉末的步骤。。该步骤制备钛粉最早由美国的Crucible researchcenter 开发并申请了有关专利，随后成立了年产11t的出产线[20]。。日本的Osaka Titanium[21]利用感应熔炼气雾化法出产的TILOP级Ti6Al4V粉末球体状态和纯度相对较高，被以为合用于增材制作领 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，经氩气雾化后得到均匀粒径为41.8 μm的球形钛粉，粉末球形度高，卫星球少，机能满足增材制作用粉要求。。

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，经冷凝得到藐小液滴。。该步骤球形度好，根基无空心球等缺点，但受限于电极的转速和钛液黏度，粉末整体粒度偏粗，约为100 μm。。英国LPW公司、湖南顶立科技等公司已经在该领域发展了多年的钻研并实现了规；；；霾。。海湖南顶立科技有限公司[23]在现有的技术基础上，钻研陆续进给料、密封、自动起弧与信息反馈、智能节制等设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400 kg，细粉收得率大于15%，该技术可出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定状态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，在钛液理论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资料熔点，该工艺出格适合难熔金属球形粉末的出产，得到粉末球形度高，无空心粉，但制品受限于原料粉末粒度，且细粉送料存在肯定难题。。

古忠涛等[24]利用射频等离子体球化工艺处置不规定的钛粉，经过球化处置后，粉末粒径散布变窄，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置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化，该工艺可实现20～50 μm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越发丰硕，分歧工艺制备的Ti6Al4V 制品机能如表4 所示[26- 31]。。

能够看出不论是选取冷等静压＋真空烧结的传统工艺，还是热等静压、增材制作、注射成形等新工艺，均获得了不错的成效，能够实现粉末冶金钛合金机能的大幅度提升美国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，该产品经铸造后机能满足了航空资料的使用需要。。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快自扩散，获得了高密度（约98%）的高委顿机能钛合金，改善了粉末冶金钛合金委顿机能差的弊端。。乌克兰的Ivasishin等用氢化钛粉包办通常钛粉，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]利用均匀粒度10 μm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935 MPa，屈服强度865 MPa，伸长率达到15.8%，机能达到锻件水平。。

热等静压一向以来都是粉末冶金钛合金致密化的重要伎俩，随着需要的不休增长，热等静压的复杂水平逐步提高，零部件尺寸也逐步增大。。成立于2000 年的Synertech PM公司一向致力于热等静压钛合金火箭引擎、气体压缩机、喷气发起机及机身零部件的制备，通过对粉末在复杂状态HIP 包套中的固结和收缩模型进行分析，利用先进的粉末充填与脱气技术，从而实现对资料状态、机能和理论质量的高度节制。。图2 为该公司开发的发起机大型框架部件。。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，通过对结构的分化、加工与组合，在800～900 ℃ 、100～200 MPa、1～3 h 前提下，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法规进行了钻研，得到的粉末冶金Ti6Al4V资料抗拉强度为971 MPa，屈服强度为920 MPa，伸长率为15.5%，机能达到锻件水平。。

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急剧制作工艺。。将粉末与有机粘结剂均匀混合，经制粒海后，在加热状态下用注射成形机成形出所需零件状态，经物理或化学步骤脱除粘结剂后，经高温烧结致密化而获得所需的零件。。该步骤能便捷的出产状态复杂、批量大、小且详细、难以加工，外观重要、机能优越的零件[36]。。但对于钛合金，有机粘接剂的脱出存在肯定难题，残留的碳氧杂质会大幅度降低资料的塑性，该问题成为注射成形钛合金研发的重点。。2000 年，最大的钛注射成形出产商Injex 公司，每月可出产2～3 t 注射成形件，大无数为低应力件，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 屋国度工业学院[38]还将金属注射成形技术用于Ti6Al4V合金粉末的注射成形，钻研了分歧的注射成形参数对成形部件微观结构和机械机能的影响，在1 000 ℃烧结，可得到相对密度大于96％，抗拉强度为950 MPa的Ti6Al4V合金。。昭通有色金属钻研院的蔡一湘等[39]通过分歧种类钛粉的组合，调整系统的粉末状态和粒度组成，降低初始氧含量，改善了注射、脱粘和烧结过程的工艺个性。。

增材制作是基于离散-堆积道理，以零部件的数字模型为基础，由金属粉末直接制作零部件的急剧成形制作工艺，出格适合钛合金等难加工资料的近净成形。。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作过程凝固晶粒状态自动节制理论，实现了先进航空发起机钛合金整体叶盘等大型主承力构件的激光增材制作，如图4 所示，通过热处置使制品委顿裂纹扩大门槛值提高至21 MPa·m0.5，委顿裂纹扩大速度降低了一个数量级以上。；；；侠砉ご笱У难钣狼康萚41]利用激光选区溶解设备制备了Ti6Al4V骨盆骨折接骨板和个性化颅骨修复体，微观组织和机能优良，经热处置抗拉强度可达1 005 MPa，伸长率达到12.0%。。

3、发展方向

粉末冶金工艺在制备钛合金领域拥有先天的优势，在制备工艺优化的方面有较大的发展空间，将来粉末冶金的重要发展方向有以下几点。。

3.1 低间隙渺小钛粉的制备

钛粉是粉末冶金钛合金的原料，也是影响粉末冶金钛合金品质的重要成分。。通过降低钛粉粒度，能够得到细晶组织，从而提高制品机能。。目前通例粉末冶金钛制品机能差的重要原因是杂质含量偏高，由于钛粉在制备过程中极易与空气反映，造成氧氮含量偏高，当氧含量超过3000ppm 后钛的塑性急剧降落，无法作为通例资料进行后续的加工，因而必须在制粉过程中对间隙元素的含量进行严格节制，保障原料氧含量不超过1000ppm，这样的钛粉经成形和烧结后制品的机能才可能满足使用需要。。因而低间隙渺小钛粉制备工艺的开发是将来粉末冶金钛合金发展的重点之一。。

3.2 大尺寸粉末冶金制品的制备

钛合金作为一种重要的结构资料，市场普遍需要为钛板、钛棒、钛管等，因而将粉末冶金技术升级为一种钛合金制备工艺势在必行。。利用粉末冶金技术成形得到的板坯或管坯因拥有细晶组织，机能优于传统铸件，经过铸造加工后机能能够超过传统熔铸法资料。。因而大尺寸粉末冶金制品的制备是将来开发的重点之一，目前受限的重要是大尺寸成形和烧结技术。。冷等静压技术利用液体传导压力，能够实现较大尺寸压坯的成形，在制备大尺寸粉末冶金制品中拥有较大潜力，但成形精度还必要进一步提高，能够作为将来开发的重点。。

3.3 高机能钛合金制备

由于粉末冶金制品拥有肯定量的孔隙，在孔隙处易产生裂纹源，造成资料提前失效，因而，解除粉末冶金钛合金中的孔隙，提升粉末冶金钛合金机能，是将来高机能粉末冶金钛合金发展的重要环节。。将致密度大于95%的烧结坯进行肯定变形量的热加工，或者选取无包套热等静压技术均能够有效解除孔隙，得到全致密的钛合金制品，通过调整加工工艺，机能可优于通例铸造产品。。该技术的发展有利于高机能钛合金的制备与开发。。

4、结语

粉末冶金工艺是短流程制备低成本、高机能钛及钛合金的有效步骤。。它不通过溶解制备致密钛合金资料，大大降低了成本；；；同时其近净成形的特点削减了制作最终产品所需的原资料及加工过程，解决了铸锭冶金钛合金资料利用率低及热加工难题的问题。。

近年来粉末冶金钛合金的制粉、成形、烧结工艺都在不休发展中，相信随着这些技术的不休进取，我国粉末冶金钛合金产业将会持续蓬勃发展。。

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