Интеграция контроля формы титанового сплава с использованием недорогой порошковой металлургии

Титановый сплав обладает превосходными свойствами, такими как малый вес, высокая прочность и коррозионная стойкость, и играет незаменимую роль во многих областях. Однако плохая производительность обработки титана приводит к высокой стоимости деталей, производимых традиционными процессами литья и ковки + механической обработки, что ограничивает его применение. Технология порошковой металлургии заключается в прямом спекании порошка в детали, что может кардинально решить проблему высоких затрат на обработку титана.

В настоящее время детали из титанового сплава, полученные методом порошковой металлургии, имеют две основные проблемы: плохая производительность и легкая деформация во время спекания. Среди них низкая плотность спекания и высокое содержание кислорода являются основными причинами плохой производительности, а неравномерная усадка, вызванная неравномерным смешиванием частиц, является основной причиной деформации спеченных изделий. Поэтому крайне важно разработать недорогую интегрированную технологию управления формой титанового сплава, полученного методом порошковой металлургии, чтобы способствовать инженерному применению и разработке титанового сплава, полученного методом порошковой металлургии.

Исследовательская группа «Функциональная модификация и передовое производство специальных порошков», созданная Яном Яфэном, исследователем из Института технологических процессов Китайской академии наук, провела ряд исследовательских работ по проблеме контроля формы порошковых металлургических титановых сплавов. За годы исследований был разработан ряд высокоэффективных спекающих добавок и адсорбентов примесей кислорода, которые значительно улучшили плотность спекания и производительность порошковых металлургических титановых сплавов. На этой основе был разработан новый тип покрытого титанового порошка с высокими характеристиками гомогенизации, который достиг точного контроля формы деталей из титанового сплава сложной формы. Было опубликовано более 10 статей по результатам соответствующих исследований, которые привлекли широкое внимание в смежных областях.

Основные моменты статьи
Предложен принцип разработки порошковой металлургической добавки для спекания титановых сплавов и механизм ее усиления при спекании.

Исследован закон растворения оксидной пленки и диффузионное поведение при спекании, разработан эффективный адсорбент примесей кислорода, значительно повышающий прочность и пластичность;

Графический анализ：

Рисунок 1：

Трудности и решения, с которыми сталкивается порошковая металлургия титановых сплавов

Рисунок 2：

Микроструктуры спекания образцов (а) Ti–3Fe–1Si и (б) Ti–3Fe–2Si, и (в) тенденции изменения плотности спекания и свойств при добавлении Si.

Добавление спекающей добавки Fe-Si увеличивает плотность спекания титанового сплава до более чем 99%

Рисунок 3：

(a) Кривая расширения компактного порошка Ti, спектры глубинного профиля XPS высокого разрешения исходного порошка Ti (b) и термообработанного порошка Ti (c) при разном времени травления.

Результаты кривой теплового расширения и фотоэлектронной спектроскопии указывают на то, что оксидная пленка на поверхности титана начинает диффундировать в матрицу при 670°C. На основании этого устанавливаются критерии проектирования адсорбентов примесей кислорода (реагирование и удаление оксидной пленки до ее растворения).

Рисунок 4：

Тенденции изменения свойств титанового сплава в зависимости от типа и количества добавленного поглотителя кислорода

При добавлении 0,3 мас.% высокоэффективного поглотителя кислорода NdB6 удлинение титанового сплава увеличивается с ~12,5% до более чем 17%.

Рисунок 5：

(a) СЭМ-фотография покрытого порошка, (b) кривые теплового расширения покрытого порошка и смешанного порошка, (c) фотография измерения точности размеров автомобильных амортизирующих деталей, спеченных из смешанного порошка и покрытого порошка

Состав сплава покрытого порошка более однороден, а холоднопрессованное сырое тело демонстрирует равномерную линейную усадку в процессе спекания, решая проблему легкой деформации деталей сложной формы из порошкового титанового сплава в процессе спекания.

Рисунок 6：
(a–d) морфология и распределение элементов порошкового покрытия, (e) фотографии автомобильных деталей после прессования сырого тела и спекания порошкового покрытия

Поверхность титанового порошка равномерно покрыта спекающими добавками и поглотителями кислорода, что позволяет не только добиться высокой плотности спекания и высокой производительности, но и реализовать однократное спекание сложных деталей.

Было выявлено, что неравномерный состав механически смешанных порошков является внутренней причиной деформации при спекании, и был разработан высокогомогенизированный покрытый титановый порошок, который усилил линейную усадку изделия во время спекания и обеспечил точное формование.

В этой статье представлена ​​новая стратегия, предложенная группой для усиления уплотнения спекания порошкового титанового сплава путем «реакционно-индуцированного образования низкотемпературной жидкой фазы». Разработанный новый вспомогательный агент Fe-Si производит переходную жидкую фазу и постоянную жидкую фазу в процессе спекания. Две жидкие фазы увеличивают плотность спекания до более чем 99% за счет синергетического укрепления. Затем, чтобы решить проблему хрупкости, вызванную высоким содержанием растворенных примесей кислорода, группа сначала выявила, что начальная температура растворения оксидной пленки на поверхности титанового порошка составляет 670ºC, и установила критерии проектирования адсорбента примесей кислорода «реагирование и удаление оксидной пленки до ее растворения».

Затем был введен 0,3 мас.% адсорбента кислорода NdB6 для достижения значительного улучшения пластичности титанового сплава. На основе вышеуказанной исследовательской работы было достигнуто равномерное покрытие спекающих добавок и адсорбентов примесей кислорода на поверхности титанового порошка с помощью технологии функциональной модификации поверхности порошка в псевдоожиженном слое, что способствовало быстрой гомогенизации состава сырого тела в процессе спекания, усилило равномерную линейную усадочную способность и решило проблему деформации спекания порошкового металлургического титанового сплава. На основе вышеуказанных теорий и результатов исследований группа сотрудничала с предприятиями для формирования новой интегрированной технологии управления формой и свойствами порошкового металлургического титанового сплава, создала недорогую производственную линию для порошкового металлургического титанового сплава и способствовала развитию технологии порошковой металлургии и инженерных приложений титановых сплавов.