粉末冶金钛合金制备与研究_岳小童.pdf

2023 年 4 月作者简介:岳小童(1990)，男，汉族，甘肃兰州人，工程师，主要从事:建筑工程材料工作。粉末冶金钛合金制备与研究岳小童(兰州交通大学，甘肃 兰州 730000)摘要:钛合金具有高强度、低密度、优异的耐腐蚀性和生物相容性等特点，在航空航天、汽车、医疗等领域具有广泛的应用1。本文以粉末冶金技术为基础，系统地研究了钛合金粉末的制备、烧结工艺及其性能。通过对比实验和理论分析，优化了粉末冶金钛合金的制备工艺，提高了烧结后钛合金的力学性能。本研究对粉末冶金钛合金的实际应用具有重要意义。关键词:钛合金;粉末冶金;制备;烧结;性能文章编号:2095 4085(2023)04 0215 041钛合金的背景和应用钛合金作为一种具有高比强度、优良的耐腐蚀性和生物相容性等优点的先进材料，在航空航天、汽车制造、生物医学、化工等领域得到了广泛应用2。钛合金具有低密度、高强度和良好的耐腐蚀性，是减轻结构重量、提高燃料经济性和降低维护成本的理想材料。在生物医学领域，钛合金因其与人体组织的良好相容性和抗腐蚀性，成为制造人工关节、牙科种植体等医疗器械的重要材料。2粉末冶金钛合金的研究现状传统的钛合金制备方法，如熔炼法、热处理法等，存在一定的局限性，如成本高、生产效率低和产品性能不稳定等。为了克服这些问题，粉末冶金技术应运而生。粉末冶金技术通过粉末冶金成形、烧结等工艺，可以实现钛合金的低成本、高效制备。同时，粉末冶金制备的钛合金具有细密的组织结构、优异的力学性能和良好的生物相容性，为钛合金在多领域的应用提供了新的可能3。近年来，国内外学者对粉末冶金钛合金的制备方法、工艺参数以及性能进行了广泛研究。通过调整工艺参数，如粉末粒度、烧结温度和烧结时间，以及采用不同的制备方法，如机械合金化法、自传播高温合成法等，可以得到具有不同性能的钛合金。然而，粉末冶金钛合金的制备和性能研究仍存在一定的局限性，如制备工艺复杂、产品性能不稳定等，亟待进一步研究和优化。3研究目的和意义本文旨在为实际应用中的粉末冶金钛合金制备提供理论支持和技术指导，以推动钛合金在各领域的广泛应用。通过深入剖析各种制备和烧结工艺，我们期望为工程实践提供有益参考，为钛合金的研究和开发贡献力量。同时，我们也认识到现有研究仍存在不足，未来钛合金粉末冶金技术的发展还需要针对特定应用场景，深入探讨制备工艺和烧结工艺的优化，实现高性能、低成本的钛合金制品。4钛合金粉末的制备钛合金粉末的制备方法主要包括电解法、气氛还原法、机械合成法和气体原子化法。下面详细介绍这些方法的原理、优点、缺点和应用。4 1电解法电解法是通过在钛阳极和不锈钢阴极之间施加电压，使钛阳极溶解生成钛粉末。电解法制备钛粉的优点是纯度高、粒度均匀;缺点是耗能较大，设备投资高。4 2气氛还原法气氛还原法是通过将钛酸盐与还原剂混合，在不同气氛下经高温还原反应生成钛粉。气氛还原法制备钛粉的优点是成本低、产率高;缺点是粉末颗粒较大，成分分布不均匀。4 3机械合成法机械合成法是通过将钛粉与合金元素粉末混合，经机械球磨、冷等静压和热处理等工艺制备钛合金粉末。机械合成法制备钛合金粉的优点是可以控制合金成分、获得高性能钛合金粉末;缺点是设备磨损大，粉末污染可能性较高。5124 4气体原子化法气体原子化法是将钛合金熔融后，利用高速气流使熔融合金分散成细小液滴，并在气氛中迅速冷却成钛合金粉末。气体原子化法制备钛合金粉的优点是粉末颗粒形貌和粒度分布良好，成分均匀;缺点是设备投资较高，生产成本较高。4 5混合法混合法是将不同制备方法得到的钛粉末和合金元素粉末按一定比例混合，通过后续烧结工艺制备钛合金。混合法的优点是可充分利用不同制备方法的优势，获得性能优异的钛合金粉末;缺点是制备过程较复杂，需要对不同制备方法的钛粉末进行混合比例优化。4 6选择合适的制备方法钛合金粉末制备方法的选择取决于所需钛合金粉末的性能、应用领域和成本等因素。一般来说，电解法适用于高纯度钛粉末制备;气氛还原法适用于大规模钛粉末制备;机械合成法适用于高性能钛合金粉末制备;气体原子化法适用于高质量钛合金粉末制备。在实际应用中，可根据需求选择合适的制备方法，或采用混合法将不同制备方法的优势相互结合，制备出性能优异的钛合金粉末。5烧结工艺烧结工艺是将钛合金粉末通过加热至高温(低于熔点)并保持一定时间，使粉末颗粒间产生扩散和粘结，形成具有一定强度和密度的块状材料。钛合金烧结工艺的主要目标是获得高密度、优良力学性能的材料。本节将详细介绍钛合金烧结工艺的主要方法，包括压力烧结、真空烧结和热等静压烧结，并分析它们的优缺点。5 1压力烧结压力烧结是在高温下对钛合金粉末施加压力，促使粉末颗粒间发生扩散、粘结和重结晶。压力烧结的主要优点是可以提高钛合金的密度和力学性能，减少孔隙;缺点是设备投资和维护成本较高。5 2真空烧结真空烧结是在真空环境下进行烧结，以降低氧化物含量，提高钛合金的性能。真空烧结条件对钛合金的密度、力学性能和微观组织有显著影响。真空烧结的主要优点是可以减少氧化物含量，提高材料性能;缺点是对设备和操作要求较高。5 3热等静压烧结热等静压烧结是在高温和高压条件下进行烧结，能有效提高钛合金的密度和力学性能4。热等静压烧结可有效减少孔隙和晶粒生长，提高钛合金的综合性能。热等静压烧结的优点是可以获得高密度、优良力学性能的钛合金;缺点是设备投资和运行成本较高。5 4烧结工艺流程图钛合金烧结工艺流程如图 1。图 1钛合金烧结工艺流程钛合金粉末制备:选择合适的制备方法，制备出所需性能的钛合金粉末;粉末预处理:进行筛分、混合等预处理操作，以获得均匀分布的粉末;成型:采用冷等静压或注射成型等方法，将钛合金粉末压制成所需形状的绿坯;脱脂:对注射成型的绿坯进行脱脂处理，去除粘结剂，保留钛合金粉末;烧结:根据具体需求选择压力烧结、真空烧结或热等静压烧结方法，对绿坯进行烧结处理;后处理:对烧结后的钛合金进行热处理、机械加工等后处理操作，以满足实际应用的性能要求。612钛合金烧结工艺在实现高密度、优良力学性能的钛合金制品方面具有重要意义。本节通过对压力烧结、真空烧结和热等静压烧结等烧结方法的详细阐述，为钛合金烧结工艺的选择提供了参考依据。同时，结合烧结工艺流程图，全面展示了钛合金粉末冶金的制备过程，为实际应用提供了理论支持和技术指导。在未来研究中，针对不同应用领域和性能要求，进一步优化烧结工艺，实现高性能、低成本的钛合金制品将具有重要价值。6性能研究钛合金的性能研究主要包括密度、力学性能(如抗拉强度、屈服强度和延伸率)、耐腐蚀性能、疲劳性能以及生物相容性等方面。本节将详细介绍钛合金各性能指标的测试方法和评价标准，并通过实验数据分析烧结工艺对钛合金性能的影响。6 1密度密度是衡量钛合金烧结质量的关键参数之一。通常采用测量烧结体积和质量计算密度。密度越高，说明烧结效果越好，材料中的孔隙越少。孔隙会降低钛合金的力学性能和耐腐蚀性能，因此提高密度是钛合金烧结的重要目标。6 2力学性能力学性能是衡量钛合金在不同工况下使用性能的关键指标。主要包括抗拉强度、屈服强度和延伸率。钛合金的力学性能受烧结工艺、粉末性能和热处理等多种因素影响。通过优化烧结工艺和热处理参数，可有效提高钛合金的力学性能。6 3耐腐蚀性能钛合金在某些特殊环境下的耐腐蚀性能具有重要意义。通过电化学测试和浸泡试验等方法评价钛合金的耐腐蚀性能。耐腐蚀性能受钛合金成分、烧结工艺和表面处理等因素影响。通过调整成分和优化工艺参数，可提高钛合金的耐腐蚀性能。6 4疲劳性能疲劳性能是衡量钛合金在循环载荷下使用寿命的重要指标。疲劳试验通过对钛合金进行循环加载，直至发生断裂，以评价其疲劳性能。疲劳性能受钛合金成分、烧结工艺、热处理和表面处理等因素影响。通过优化工艺参数和热处理条件，可提高钛合金的疲劳性能。6 5生物相容性钛合金具有良好的生物相容性，适用于生物医学领域5。作为生物医学领域的一个重要概念，通过对钛合金表面进行处理，或在钛合金表面涂覆一层生物活性材料，如羟基磷灰石(HA)、生物陶瓷、生物玻璃等，可以提高钛合金与生物组织之间的界面结合和生物活性，可以改变其表面的化学成分、形貌和微结构，从而提高生物相容性。6 6实验数据分析通过对钛合金性能、工艺进行不同的测试，测试范围包括烧结温度、疲劳性能力和生物相关性的影响。通过对实验数据的深入分析，可以找到最好的燃烧结合工艺参数，并从中提炼金合剂的综合能力。7钛合金制备工艺的优化研究7 1电解优化法优化电解法的关键在于提高电解效率、降低能耗并改善钛合金的组织结构。为实现这一目标，可以尝试采用新型电解质如离子液体、深度冷却熔盐等以降低熔盐的熔点，减少能耗。此外，通过调整电解参数如电流密度、电解温度、电解时间等，以实现对钛合金组织结构的精细控制。通过这些优化措施，有望提高电解法制备钛合金的效率和性能。7 2气氛还原优化法优化气氛还原法的关键在于提高还原速率和降低氧、氮等杂质含量。为实现这一目标，可以通过优化还原剂的选择和比例，提高反应速率。此外，通过改进炉内气氛控制技术，降低氧、氮等杂质的溶入，提高钛合金的纯度。通过这些优化措施，有望提高气氛还原法制备钛合金的效果。7 3机械合成优化法优化机械合成法的关键在于提高合金化程度和改善粉末的性能。为实现这一目标，可以通过优化球磨参数如球磨时间、球磨速率、球粉比等，实现对钛合金粉末颗粒大小和形貌的控制。此外，通过控制球磨过程中的磨损、氧化等现象，可以提高钛合金粉末的质量。通过这些优化措施，有望提高机械合成法制备钛合金的性能。7 4气体原子化优化法优化气体原子化法的关键在于提高粉末的球形度712和降低氧、氮等杂质含量。为实现这一目标，可以通过优化喷嘴设计，提高喷射速率以实现较高的球形度。同时，通过优化冷却速率和气氛控制，可以降低氧、氮等杂质含量，提高钛合金粉末的纯度。此外，通过调整原子化过程参数如喷射压力、喷射温度等，可以进一步优化钛合金粉末的性能。通过这些优化措施，有望提高气体原子化法制备钛合金的效果。8结语随着钛合金制备工艺的不断发展，新型制备方法和技术将不断涌现，未来的研究需要关注这些新技术的发展，以拓宽钛合金的应用领域和提高其性能。针对现有制备工艺中存在的能耗高、污染严重等问题，未来研究需关注环保、高效的新型制备方法，根据不同领域的应用需求，针对特定性能特点开发新型钛合金，以满足各类应用场景的特殊要求。钛合金制备工艺的绿色化和可持续性是未来发展的重要方向，还需进一步加强材料科学、力学、计算机科学、生物医学等跨学科的合作与交流，以实现对钛合金性能的全面优化。参考文献:1 张莎莎 TiC 颗粒增强 316L 不锈钢复合材料选区激光熔化制备及性能研究 D 哈尔滨工程大学，2019 2 李福平 扩散连接制备多孔钛的力学行为及生物相容性 D 西北工业大学，2016 3 高燕娇 碳磷灰石粉末的水热合成和涂层的仿生沉积 D 福建师范大学，2006 4 刘俊芳 HDDSPS挤压制备双峰组织镁及微观组织和力学性能分析 D 太原理工大学，2017 5 胡阳 基于废水处理的 PCL/Fe3O4磁性复合纳米纤维的结构与性能研究 D 东华大学，2016812