一、鈦的粉末冶金

（一）鈦粉末冶金制品制備方法

粉末冶金作為一種現代冶金和材料加工的先進技術方法，在鈦工業領域發揮了重要的作用，該技術發展較快，已相繼開發了許多粉末冶金制品的生產技術和方法，如模壓成形、粉末鍛造、粉末熱壓、粉末擠壓、粉末軋制、等靜壓、注射（噴射）成形、爆炸成形、自蔓延高溫合成等。這些新技術、新工藝的出現，促進了粉末冶金材料的迅速發展。

傳統粉末冶金方法生產鈦合金制品主要步驟首先是粉末的制備，然后通過對疏松的粉未施加一定的外壓使其達到致密化，接著對壓坯進行燒結，以得到一定性能的制品。常用的壓制方法有等靜壓和非等靜壓兩種，可以在常溫或高溫下對粉末進行壓制。為了使最終產品得到較好的力學性能，必要時需對坯件進行熱處理。

實際上，鈦合金粉末冶金制品的力學性能、化學特性與鈦鑄件大體相同，從使用角度來看，凡使用鈦鑄件的地方都可以使用鈦合金粉末冶金制品。采用粉末冶金方法制造出的機械零件切屑少或無切屑，減少了大量的機加工，節約金屬材料，提高了勞動生產率。但采用傳統粉末冶金生產的制品形狀受到一定限制，只能生產形狀較簡單的產品。鈦合金粉末治金常規制備方法包括元素粉末法（BE）和預合金粉末法（PA），屬一種近凈成形法。在粉末冶金生產中，許多常規技術都可使用，包括常規的壓制和燒結工藝、彈性膠套、冷等靜壓（CIP）、陶瓷模或金屬包套、熱等靜壓（HIP）等。

元素粉末法成本較低，工藝比較成熟。工藝過程為：先將元素粉末按合金的成分配比混合，后經壓力機在約400MPa壓力下冷壓成形，然后在1260℃左右真空燒結3h；燒結體相對密度為95%~99%。燒結后通過固溶-熱等靜壓（約1200K，200MPa）處理可改善合金的疲勞性能，燒結體相對密度可達99.8%，其拉伸強度與熔鑄件相當或更高。元素粉末法的特點是使用的粉末（如HDH粉、海綿鈦粉）價格低廉，且元素粉末相對預合金鈦粉屈服強度要低，容易成形，因此元素粉末法有著廣泛的市場前景。

元素粉末法是鈦粉末冶金工藝中成本最低的，且工藝簡單，可有效壓制燒結制成復雜零件。元素粉末法的最新研究結果表明，該方法利用氫化鈦粉與A1:V為60:40的合金生產的 Ti-6AI-4V合金元件，其燒結密度和與之相關的顯微組織、力學性能與鑄件、鍛件相當這種低成本且性能優良的近凈成形法可得到大量的推廣應用。預合金化粉末法主要有旋轉電極法和氣體霧化法等，大多是將合金滴快速凝固，從而獲得預合金粉，所以又稱“快速凝固法”。預合金粉末適宜于熱成形，粒度分布很窄，Ti6A1-4V粉末的平均粒度一般約為 30.1um。通過制粉和粉末加工過程控制，可使疲勞強度提高到壓力加工材料水平。利用預合金化粉末加工成形的鈦合金具有細的晶粒組織，可提高室溫性能及高溫超塑性的可成形性。目前人們使用預合金粉法生產的粉末冶金產品性能與鑄造及鍛造產品性能相當。

（二）鈦粉末冶金制品的應用

鈦粉末冶金制品的應用非常廣泛，涉及許多工業領域以及國民經濟的各個部門，例如鈦粉末冶金異型件主要應用于石油、化工、氯堿、濕法冶金、化肥、農藥等工業部門，使用效果良好。

二、超塑性成形與擴散連接

超塑性成形（SPF）與擴散連接（DB）相結合是最為引人注目的近凈成形工藝之一。其優點如下。

①可不必機加工而生產出最終的形狀、尺寸，從而大大節約了成本，縮短了流程和工期。

② 溫度較低，由于不形成氧化膜，因而無需酸洗。

③可生產整體構件，取代多個單一零件組成的集成件，減少了制造和連接的費用，因此更為經濟、可靠、便捷。

（一）超塑性成形

超塑性是指金屬材料在合理的成形溫度和小的應變速率下不發生宏觀頸縮而產生極大塑性應變的能力。復雜的薄壁鈦構件可以進一步成形。

SPF主要用于制造航空件如管道、機翼艙口板、噴嘴、發動機箱體和葉片，也可用于生產非航空用產品。

超塑性具有以下幾點要求。

① 變形溫度應達到熔點溫度的一半左右，對于鈦合金大致為8相轉變溫度的90%左右

② 低的變形速率。由于高溫下的塑性變形主要由蠕變引起，而促使蠕變有兩個冶金條件，即極細的顯微組織和高變形溫度下穩定的細晶組織，其中前者是因為變主要受晶界滑移的控制。通常，細小的等軸晶或α+β合金的兩相組織可滿足以上要求。SPF 鈦合金的典型晶粒尺寸小于10μm，呈等軸狀，且顯微組織較為均勻。具有SPF特性的鈦合金主要Ti-6AL-4V、Ti6AL-2Sn-4Zr-2Mo、Ti4.5A1-3V-2Mo-2Fe、Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al等。

對于Ti-6AL-4V合金，變形溫度為925℃左右，典型應變速率為10^-1~10^-4 S^-1。模具內通入熱氬氣，并在適當壓力下使板材發生超塑性變形而成形為下模的最終形狀。

SPF/DB工藝所形成的接頭具有高的整體性，能使被結合部分冶金結合為一體。由于鈦易氧化，因而加工必須在真空或保護氣氛中進行。

超塑性成形具有堅實的基礎，尤其在航空工業領域更是如此，它能經濟地生產薄壁板狀構件，如 Ti-6AL-4V薄板超塑性加工而成的空中客車A300/310服務臺，即便是形狀復雜的構件，也只需很少量的后續加工。

為了進一步提高SPF加工的經濟性，人們在提高應變速率和/或降低變形溫度方面做了大量研究。使生產能力和工模具壽命得以提高。β鈦合金SP-700（Ti-4.5A1-3V-2Mo-2Fe）在此方面具有較大發展前景。由于其顯微組織非常細小、β轉變溫度低，在800℃左右不明顯增大流變應力的條件下可以進行超塑性成形。更有利的是，在該溫度下也可實現擴散連接。

（二）擴散連接

鈦合金材料在空氣中短時間內能形成一層致密的氧化物層，因而具有耐蝕性。該保護層在高溫時具有向材料內部擴散的傾向。鈦的這種“自清理”特性以及良好的固態擴散能力可用于鈦薄板的平面連接，其連接強度可達到母材水平。

如果裸露的鈦表面在50%熔點溫度被壓在一起，就會產生擴散，從而使表面結合在一起，其界面成為連續的顯微組織，原界面消失。通過擴散過程中產生的局部連接能成形復雜的三維薄板結構。連接過程中不出現液相，無過熱的、降低連接結構強度的（與基體強度相比）組織。該工藝被稱為擴散連接（DB），DB溫度近似于SPF溫度。擴散連接的主要工藝參數為時間和壓力。SPF-DB加工溫度低，不僅可以延長模具壽命、節約加工成本，而且可以減少高溫下合金晶粒的長大和氧化。