氢化－脱氢钛粉末注射成形工艺实验研究*

顾永华，许建文

（华侨大学 模具技术研究中心，福建 厦门 361011）

钛及其合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、高温抗蠕变、焊接性能优良、生物相容性优异等优点，具有广阔的应用前景，但钛熔炼困难，制备成本高，尤其是机加工性能差，钛及其合金目前多在航空航天、医疗等性能因素占主导地位的领域应用［1］.粉末冶金是一种以金属粉末为原料的成形方法，先将粉末成坯，再进行烧结（通常低于熔炼温度），过程无切削或少切削，是一种净成形方法，特别是近年来发展的金属粉末注射技术，能大批量生产形状复杂金属制品，越来越受到人们重视［2～3］，该技术使钛及其合金的广泛应用成为可能.

粉末注射成形多采用球状的气雾化粉末，易成型，但气雾化粉成本高，限制了进一步应用.当前一种低成本钛粉制备方法是氢化－脱氢（HDH）法［4～7］，HDH钛粉为不规则形状，喂料制备、注射成型及烧结控制困难，关于该方面的研究成果鲜有报道［8］.本文通过实验研究HDH钛粉末注射工艺，旨在寻求一种低成本纯钛工件制备工艺，以获得组织均匀、力学性能较好的钛制品.

1 试验材料与方法

试验所用－325目氢化－脱氢（HDH）钛粉成分如表1所示，钛粉末为不规则形状.粘结剂采用质量分数65；石蜡（PW）、15；低密度聚乙烯（LDPE）、15；聚丙烯（PP）、5；硬质酸（SA），粉末体积装载率为57；.将钛粉与粘结剂于混炼机内160℃共混2h.注射温度 160℃，注射压力110MPa，注射标准拉抻试样100mm ×7mm ×4mm，脱脂采用溶剂脱脂法和热脱脂法结合，脱脂温度采用参考热重分析（TGA）和差热分析（DTA），脱脂溶剂采用三氯乙烯溶液，热脱脂与烧结采用TH－VTS50真空脱脂烧结一体炉，用GX51F金相显微镜观察试件断面，烧结密度通过排水法测量，WD－E拉伸力学性能在电子万能试验机上测定.

表1 HDH钛粉末的化学成分（质量分数）；

2 试验与分析

2.1 溶剂脱脂

实验温度选择40℃、50℃、60℃、70℃.同一实验条件同时放入3个生坯，0.5h、1h、2h、3h、4h、5h后对脱脂坯进行干燥、称量，计算各试样脱脂率，并取平均值，实验结果见表2.

表2 不同条件下的溶剂脱脂率

2.2 热脱脂

DSC曲线如图1，根据粘结剂的组成，分析如下：55℃左右的放热峰对应PW的熔点；110℃放热峰对应LDPE的熔点；125℃吸热峰对应少部分SA的分解；200℃左右的微小放热峰对应PP的熔点；350℃左右吸热峰对应LDPE分解；470℃吸热峰对应PP的分解.

由TG曲线可看出，在30℃ ～260℃区间，对应PW和少部分SA分解挥发；在260～325℃区间，粘结剂中低分子量组元开始热解；325℃ ～600℃区间，LDPE和PP分解挥发.

图1 溶剂脱脂后注射坯TGA－DTA曲线图

图2 热脱脂升温曲线

综上分析，选定图2所示热脱脂升温曲线，脱脂初期阶段（室温至100℃），粘结剂还未热分解，蒸发慢，产生蒸气少，对坯体结构产生影响小，升温速率可取2℃/min；100℃ ～330℃区间，粘结剂中低分子量组分开始熔融热解，但粉末间尚未形成孔隙通道，如升温过快，热解作用将产生大量挥发性小分子气体，使坯体起泡、变形、甚至开裂，因此采用较低升温速率（1℃/min）；325℃后粘结剂中的石蜡（PW）已热解完毕，粉末间孔隙通道已形成，粘结剂中的LDPE、PP开始分解，因此330～400℃区间升温速率可加快至2℃/min；400℃ ～600℃阶段，坯体中存在大量连通孔隙，可继续保持快速升温；升温至600℃后保温1h，随炉冷却，实验表明：经溶剂脱脂和热脱脂后坯体脱脂率可达97；，此时坯体依靠粉末颗粒间的啮合力来支撑其形状，对样品操作须小心，避免崩塌.

2.3 烧结致密度

表3显示了烧结相对密度与烧结时间和烧结温度之间的关系.1150℃时，烧结相对密度随烧结时间延长变化不明显，表明1150℃烧结还不足以使粉末坯体进一步致密化；1250℃时，致密化过程明显加快，保温2h相对密度可达86.7；，表明1250℃为较为合适的烧结温度.

表3 不同烧结条件下的相对密度

2.4 显微组织与力学性能

图3可看出，随烧结时间延长，孔隙数量逐渐减少；烧结2h后，多数孔隙逐渐趋于圆化，减少了微裂纹等缺陷的出现.表4显示：烧结温度1150℃时，烧结体抗拉强度和断裂伸长率随保温时间的延长而提高，烧结温度1250℃时，抗拉强度和伸长率随保温时间延长略有降低.图4断口形貌显示，烧结体呈现明显脆性断裂特征.

图3 烧结纯钛显微组织

表4 不同烧结条件下注射纯钛的力学性能

图4 拉伸试样断口形貌

3 结论

3.1 溶剂脱脂过程中，粘结剂脱除率随着温度上升和时间延长而提高.当脱脂温度70℃、5小时后，脱脂率基本保持不变，达到74.2；.

3.2 热脱脂过程中，低温阶段升温速率低，保温时间长，高温阶段可提高升温速率，减少保温时间，在600℃保温1h后，脱脂率达97；.

3.3 烧结阶段，温度升高，保温时间延长，使烧结件致密度提高.1250℃保温2h后相对密度达86.7；，抗拉强度385MPa，伸长率4.8；，除少量不规则孔隙外，残余孔隙趋于圆形，减少了微裂纹等缺陷出现，获得较好的力学性能.

［1］杨冠军.钛合金研究和加工技术的新进展［J］.钛工业进展，2001，（3）.

［2］熊运昌，杨萍，丁文伟.金属粉末注射成型技术及应用［J］.新技术新工艺，2003，（3）.

［3］祝宝军.硬质合金注射成形工艺研究［D］.长沙：中南大学，2002.

［4］喻岚.注射成形钛合金的研究［D］.长沙：中南大学，2004.

［5］喻岚，李益民，邓忠勇，李笃信.采用氢化－脱氢（HDH）钛粉和氢化钛粉制备MIM Ti－6Al－4V合金［J］.稀有金属材料与工程，2005，（10）.

［6］郭世柏，曲选辉，秦明礼，段柏华，何新波.钛合金粉末注射成形热脱脂工艺的研究［J］.材料工程，2006.（增刊）1.

［7］郭世柏，张厚安，张荣发，何新波，秦明礼，曲选辉.热处理对粉末注射成形钛合金的组织与性能的影响［J］.北京科技大学学报，2007，29（7）.

［8］王瑞锋，吴运新，邹欣，唐传安.注射成形纯钛脱粘和烧结工艺研究［J］.粉末冶金技术，2006，24（2）.