鈦合金粉末注射成型燒結(jié)工藝對(duì)性能的影響

張新房，孫明峰，鐘承盛

（深圳市泛海統(tǒng)聯(lián)精密制造股份有限公司，廣東 深圳 510000）

鈦合金是20世紀(jì)中期發(fā)展起來(lái)的一種重要金屬，由于其具有密度低、比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高、無(wú)磁、焊接性能好等優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、生物工程（良好的相容性）、手表、體育用品、環(huán)保等領(lǐng)域，但是鈦及鈦合金的機(jī)加工性能差，制造成本高，限制了其工業(yè)化應(yīng)用，特別是在復(fù)雜零件上。粉末注射成形（Powder Injection Molding，簡(jiǎn)稱(chēng)PIM）技術(shù)是當(dāng)今國(guó)際粉末冶金領(lǐng)域發(fā)展最快，被譽(yù)為當(dāng)今最熱門(mén)的零部件制備技術(shù)。該技術(shù)是傳統(tǒng)粉末冶金成形技術(shù)與塑料注射成形技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，不僅具有常規(guī)粉末冶金工藝的工序少、無(wú)切削或少切削、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，而且克服了傳統(tǒng)粉末冶金工藝材料密度低、材質(zhì)不均勻、機(jī)械性能低、不易成形薄壁、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)，在制備幾何形狀復(fù)雜、組織結(jié)構(gòu)均勻、高性能的近凈成形產(chǎn)品方面，尤其具有優(yōu)勢(shì)。通過(guò)鈦合金粉末注射成形工藝可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝不能獲得的幾何形狀、力學(xué)性能及產(chǎn)品精度等;但鈦金屬活性很高，容易與碳、氧和氮等反應(yīng)，生成TiC、TiO2、TiN 等化合物，使燒結(jié)密度難以提高，力學(xué)性能得不到改善。

本文研究了不同的燒結(jié)溫度、持溫時(shí)間對(duì)TC4最終致密化及力學(xué)性能的影響，為產(chǎn)業(yè)化金屬注射成形鈦合金提供工藝支撐。

1 實(shí)驗(yàn)

（1）樣品制備過(guò)程：

樣品原料：自制TC4注射喂料(粉末來(lái)自TEKNA)。

樣品形狀：21mm圓形工件（注件制品）及標(biāo)準(zhǔn)拉伸件。

注射機(jī)器：日精 110T MIM注射機(jī)。

脫脂設(shè)備：XTS脫脂爐（硝酸型）。

燒結(jié)設(shè)備：恒普高真空爐金屬爐(220L)。

保護(hù)氣體：氬氣。

圖1 實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備

注：TC4樣品圓形注件坯及拉伸件都是在同樣的注射參數(shù)下進(jìn)行，取10件圓形件無(wú)披鋒、氣泡、砂孔等不良的樣品，分成2組，每組5件（全部標(biāo)記）進(jìn)行測(cè)試，注件密度如下。

表1 （TC4注件密度）

此表數(shù)值保持均勻、穩(wěn)定,波動(dòng)很小表明所有測(cè)試件密度是一致的。

將測(cè)完密度之注件坯放入烘箱，調(diào)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(shù)的脫脂爐內(nèi)依次進(jìn)行脫脂。各批次注件脫脂參數(shù)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(jié)爐進(jìn)行燒結(jié)。

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(jié)是MIM工藝中的最重要的工序之一，不但脫除殘余粘結(jié)劑而且消除了粉末顆粒之間的孔隙，使得MIM產(chǎn)品達(dá)到全致密或接近全致密化，鈦合金的燒結(jié)需要較高的環(huán)境，燒結(jié)過(guò)程盡可能用氬氣保護(hù)，此試驗(yàn)燒結(jié)設(shè)定為持溫時(shí)間保持120min不變，最高溫度為1220℃、1240℃、1250℃、1270℃和1290℃分別進(jìn)行TC4拉伸件和圓形件燒結(jié)，其對(duì)應(yīng)結(jié)果如下圖。

圖2 TC4拉伸件燒結(jié)過(guò)程

圖3 圓形件燒結(jié)過(guò)程

由圖3可以大致看出TC4持續(xù)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?yàn)檫^(guò)高的溫度出現(xiàn)晶粒長(zhǎng)大同時(shí)晶界之間空隙也變大，這樣也導(dǎo)致高溫后標(biāo)準(zhǔn)拉伸件屈服強(qiáng)度會(huì)比1250℃還低。

圖4 1250℃下TC4金相圖

圖5 燒結(jié)后的TC4圓形件

（3）為掌握不同溫度及持溫時(shí)間與TC4燒結(jié)致密化的關(guān)系我們選擇1240℃、1250℃及1270℃進(jìn)行如下圖試驗(yàn)，燒結(jié)氣氛均為氬氣環(huán)境。

圖6 燒結(jié)氣氛均為氬氣環(huán)境

2 數(shù)據(jù)處理及分析

依據(jù)燒結(jié)后的樣品密度數(shù)據(jù)不難看出經(jīng)過(guò)1250℃持溫120-180min要比其他工藝獲得之密度要高，根據(jù)圖3及圖4的關(guān)系我們也得出致密化和屈服強(qiáng)度的一致性，故而在1250℃持溫120min~180min獲得的致密化及力學(xué)性能是最高的；這是因?yàn)檫^(guò)高的溫度和過(guò)短的持溫時(shí)間在鈦合金燒結(jié)過(guò)程都沒(méi)有讓鈦合金晶體獲得最佳致密化，同樣低溫和過(guò)長(zhǎng)保溫會(huì)因?yàn)榫Ы鐢U(kuò)散速度較慢而粉末表面驅(qū)動(dòng)能在不斷消耗，在晶界運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散過(guò)程無(wú)法達(dá)到晶格較好的重疊和滑移，這樣內(nèi)部還有一定的空隙無(wú)法消除從而無(wú)法達(dá)到較好的致密化。

3 結(jié)論

MIM鈦合金產(chǎn)業(yè)化工藝較復(fù)雜，影響產(chǎn)品最終致密化及力學(xué)性能的因素較多，在此實(shí)驗(yàn)條件下我們經(jīng)過(guò)對(duì)產(chǎn)品密度及力學(xué)性能的綜合考量使用HP高真空金屬爐在1250℃持續(xù)燒結(jié)120min使得TC4有較高的密度同時(shí)獲得最大的屈服強(qiáng)度，為產(chǎn)業(yè)化的MIM-TC4做好工藝鋪墊。