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          鈦合金粉末冶金_加工工藝_優缺點

          作者:翔宇粉末冶金制品

          發布時間:2022-09-28 09:06:07

          來源:本站 閱讀數量:350次 點贊數量:322次

          導讀:鈦是繼鋼鐵、鋁之后的重要戰略金屬材料。它具有密度低(鈦的密度比鋼小43%)、比強度高(強度最高可達180kg/mm2,與鋼相差不多)、抗阻尼性能強(與鋼、銅金屬相比,其自身振動衰減時間最長)、耐熱性強(熔點1942K,比黃金高近1000K)、耐腐蝕性好(可以抵抗強酸甚至王水的作用)、生物相容性好等一系列優良性能。被

          鈦是繼鋼鐵、鋁之后的重要戰略金屬材料。它具有密度低(鈦的密度比鋼小43%)、比強度高(強度最高可達180kg/mm2,與鋼相差不多)、抗阻尼性能強(與鋼、銅金屬相比,其自身振動衰減時間最長)、耐熱性強(熔點1942K,比黃金高近1000K )、耐腐蝕性好(可以抵抗強酸甚至王水的作用)、生物相容性好等一系列優良性能。被譽為“第三金屬”、“空間金屬”、“海洋金屬”,在航空航天、武器裝備、汽車船舶、石油化工等領域發揮著關鍵作用。鈦合金粉末冶金制備技術作為鈦合金的制備工藝。于是整理了關于鈦合金粉末冶金相關資料,供大家參考。


          鈦合金粉末冶金加工工藝

          目前,鈦材料的生產工藝是主要以傳統的熔鑄法('克勞爾法')和粉末冶金法為基礎,利用金屬鈉或金屬鎂來還原四氯化鈦,得到金屬鈦。由于鈦的化學性質活潑,在熔融狀態下容易與普通耐火材料發生反應。在鈦的熔點附近找不到耐火材料,因此,冶煉時不得使用坩堝或水冷銅坩堝,所以冶煉必須在高真空或高純度惰性氣氛條件下進行。目前比較成熟的熔煉工藝是真空電弧熔煉或冷床爐熔煉。

          真空電弧爐熔煉鈦合金需要焊接海綿鈦和合金材料為電極,水冷銅坩堝為另一電極。電弧在兩個電極之間開始。坩堝凝結成鈦錠。這個過程需要預制電極,并且需要至少兩次熔煉才能獲得均勻的合金。同時有低密度夾雜物和高密度夾雜物。

          冷床爐熔煉鈦合金是利用高能電子束槍或等離子槍的能量將原料熔化,然后流入精煉區。精煉區的液態金屬經過高溫熔化、沉淀捕獲等機制去除雜質和夾雜物,最終凈化后的熔體流入坩堝,在坩堝底部逐漸凝固并被拉出。采用該技術可大大減少冶煉過程中的夾雜物,但設備投資成本高,工藝能耗高,設備一般依賴進口,冶煉過程中低熔點合金成分損失較大大,容易造成成分損失。

          粉末冶金制備工藝以金屬粉末為原料,經過成型和燒結,在低于熔點的溫度下得到最終產品,可實現近凈成形,降低加工成本與傳統工藝相關。


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          傳統的鈦冶煉工藝

          傳統的鈦冶煉工藝是“克勞爾法”,它利用金屬鈉或金屬鎂來還原四氯化鈦,得到金屬鈦。由于鈦是在鈦的熔點以下產生的,所產生的鈦金屬是海綿狀的,因此被稱為“海綿鈦”。

          克勞爾法工藝有三個主要過程:富鈦材料的制備,四氯化鈦的制備和還原蒸餾以生產海綿鈦。

          富鈦材料通常由鈦鐵礦制備,以盡可能去除鐵,豐富鈦組分;TiCl4[i]由氯制備,將鈦組分從氧化物轉化為氯化物,包括氯化和精煉;用金屬鎂蒸汽還原蒸餾四氯化鈦,在900℃左右四氯化鈦和鎂蒸汽混合反應便可得到海綿鈦。

          但克勞爾法工藝不連續,流程長,工藝多,而TiCl4在室溫下又具有揮發性和腐蝕性,使得海綿鈦的生產成本很高,限制了鈦在各個行業的應用。



          鈦冶金新工藝

          為了降低金屬鈦的生產成本,相關人員探索研究了許多提取鈦的新方法,主要有TiCl4電解工藝、ITP( Armstrong)工藝、FFC工藝、OS工藝、預還原成型工藝(PRP)、QT工藝、MER工藝等。以下介紹部分工藝技術。


          TiCl4電解制取金屬

          鈦的氧化物和鈦的氯化物,都可以作為工業生產鈦的原料。但到目前為止,只有氯化鈦已被用作鈦金屬工業生產的前體。這主要是因為氧氣和碳氧、碳鈦具有很強的親和力,產品的氧含量嚴重影響鈦和鈦合金的性能。在早期,氯化被認為是去除鈦中氧碳的唯一有效方法。因此,鈦金屬的工業生產涉及TiCl4的制備和純化。目前以TiCl4為前驅,國內外開展了大量研究,主要包括鈉熱還原,氧還原氫還原和熱解還原氫還原和直接電解。


          Armstrong/ITP(international Titanium Powder)工藝

          成立于1997年的美國芝加哥國際鈦鐵粉公司,一直致力于開發和商業應用。其發明者Armstrong使用氣態鈉還原TiCl4,實現了鈦粉的連續生產。這種方法的核心技術是通過一個內部噴嘴將TiCl4蒸氣噴入到鈉氣流中,反應在噴嘴處立即發生,生成的NaCl和鈦粉被過量的鈉氣流帶出反應器,進入下一步分離階段,經過蒸餾、過濾和洗滌得到金屬鈦粉,試驗性工廠中產品含氧量小于0.1%,氯含量為(50-100)×106。目前ITP公司正在優化工藝來提高產品的質量,生產出能直接用于粉末冶金、噴射成型等快速加工的合格鈦粉,同時致力于減小鈦粉生產過程對環境的影響。

          Armstrong工藝作為氣反應,化學反應瞬間爆發,大大縮短了反應時間,減少了單位能耗;生產過程連續,并且產品為粗大顆粒狀的粉末,純度比較高,能直接用作粉末冶金;副產物水解為鈉與氯氣可循環透過;此外,該工藝可直接制造合金,如Ti-6A1-4V,Ti-A1合金等。目前需克服的問題是以此TiCl4為原料,防止不了氯化過程,需改進工藝來達環境的要求,擴大測試之中產品質量的保證、延長Armstrong反應器的使用壽命與減少企業采用該工藝所需的后期投資成本等。


          FFC工藝

          FFC法又稱為劍橋工藝,2000年由英國劍橋大學的D.J.Fray教授及其合作者提出。它是使固體TiO?經過一定處理后作為陰極,石墨作為陽極,堿土金屬的熔融氯化物作為電解質進行熔鹽電解,當外加的電壓低于熔鹽的分解電壓時(實驗中的工作電壓為28~32V),陰極上的氧電離后進人電解質擴散到陽極,并在陽極生成O?或與碳結合生成CO?[ii]氣體放出,陰極上則析出純金屬鈦。該方法由于將原有的電化學脫氧過程轉變為直接以氧化物為原料電解生產金屬鈦,引起了世界冶金界專家學者和產業界的極大興趣。

          FFC法的優點為:不產生氯氣,不使用TiCl4等強腐蝕性污染環境的化學物質,是一種綠色工藝;生產周期短,產品適于粉末冶金成形,取消了鑄造、機加工和其他昂貴的加工過程,可節省大量的生產成本。但其存在產物的海綿鈦氧含量較高,工藝不連續。


          OS工藝

          此方法由日本的One和 Suzuki提出,其主要特點是用電解得到的鈣將TiO?還原為金屬鈦。在Ca/ CaO/CaCl?熔鹽中,以石墨坩堝為陽極,用不銹鋼網做成陰極,TiO?粉末直接放入陰極籃中在兩極間加電壓進行恒流電解,采用的電壓高于CaO的分解電壓而低于CaCl?的分解電壓,Ca2+在陰極上還原為鈣,氧在陽極上與碳生成CO或CO2。由于TiO?和鈣的密度差異,兩者并不直接接觸,TiO?被溶解在熔鹽中的鈣還原為金屬鈦。

          據稱此方法可大幅度降低生產成本,可用來生產鈦粉[iii],與FFC工藝有相似的優缺點,所產鈦金屬氧含量較髙。



          鈦合金粉末冶金優缺點

          鈦合金粉末冶金優點:強度高(密度一般在4.51g/立方厘米左右,僅為鋼的60%,一些高強度鈦合金超過了許多合金結構鋼的強度)、熱強度高(可在450~500℃的溫度下長期工作,仍有很高的比強度)、抗蝕性好(在潮濕的大氣和海水介質中工作,其抗蝕性遠優于不銹鋼)、低溫性能好(低溫和超低溫下,仍能保持其力學性能)。


          鈦合金粉末冶金缺點:活性強(在高溫下鈦可與許多物質發生劇烈反應。鈦的冶煉過程一般都在800℃以上的高溫下進行,因此必須在真空中或在惰性氣氛保護下操作)、屈強比高(與一般傳統的精煉、熔融和鑄造技術不同,甚至經常造成模具的損壞)、價格昂貴


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