钛合金粉末冶金技术研究

李海泓，孙 慧

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009)

【机械制造与检测技术】

钛合金粉末冶金技术研究

李海泓，孙 慧

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009)

介绍了钛合金粉末冶金技术和热等静压，分析了热等静压工艺过程和工作原理，给出了钛合金粉末冶金技术的优点，并对其应用进行了研究；利用钛合金粉末冶金技术加工的空空导弹伺服机构壳体，其力学性能优越，具有良好的微观结构，内部无缺陷；使用该技术使伺服机构壳体的生产周期缩短了30%，材料利用率提高了60%，解决了之前伺服机构壳体采用锻环加工带来的交付瓶颈问题，并且使伺服机构壳体的加工性能和力学性能进一步提高，更能满足空空导弹对高强度、高致密轻质材料的使用要求。

钛合金；粉末冶金；热等静压；空空导弹；伺服机构壳体

钛合金具有韧性好、强度高、抗氧化能力强、耐腐蚀性好等优点，广泛应用于航空和航天等领域。然而由于钛合金制品价格比较昂贵，从而限制了它的应用。钛合金制品成本高的主要原因是传统制造工艺复杂，二次加工时材料损失较大。为了降低成本，国内外大力发展钛合金无切削、少切削的近净成形工艺，钛合金的粉末冶金技术就是这种近净成形工艺之一，它是一种高效、优质、精密、节能的先进钛合金材料制备成型技术，可以实现机加无法加工或难加工零件的一次近净成形，并且综合性能优越，相对不锈钢等金属而言重量较轻[1-4]。某型空空导弹伺服机构壳体，需要采用钛合金材料，并且结构复杂，机加比较困难，生产周期较长，材料利用率低。如果采用钛合金粉末冶金技术可以在短周期内加工出伺服机构壳体，提高材料利用率，并且零件力学性能优越，完全满足空空导弹使用要求。因此，先进空空导弹技术的发展离不开钛合金粉末冶金技术的支持。

1 钛合金粉末冶金技术

钛合金粉末冶金技术通常采用热等静压，它是一种低成本、高产量生产近净成形部件的方法，基本上不需要进一步机加或调整，便可以很好地控制产品尺寸，并且零部件的稳定性和可再制性极好，而且均匀性和力学性能可以完全得到保证。

1.1 热等静压

热等静压是一种集高温和高压于一体的工艺生产技术，加热温度通常为1 000～2 000℃，在高温高压密闭容器中以高压惰性气体或氮气为传压介质，对其中的粉末或待压实的烧结坯料或零件施加各向均等静压力，形成高致密度坯料或零件的方法，工作压力可达200 MPa。在高温高压的共同作用下，被加工件的各向均衡受压，使材料热致密化[5-7]。

1.2 热等静压的工艺过程

热等静压的一般工艺过程如图1所示，粉末填充一般在真空或惰性气体氛围中进行，为了提高填充粉末的密度，包套要不停的震动。为了得到统一的收缩，则需要填充粉末的密度应不低于理论密度的68%。填充后包套抽成真空并进行密封，这是因为热等静压过程是通过压差来固结被成型粉末和材料的，一旦包套密封不严，气体介质进入包套，将影响粉末的烧结成型。另外，真空密封可以去除空气和水，防止氧化反应[8]。

图1 热等静压的一般工艺过程

1.3 热等静压的工作原理

根据帕斯卡原理，在一个密封的容器内，作用在静态液体或气体上的外力所产生的静压力，将均匀地在各个方向上传递，在其作用的表面积上所受到的压力与表面积成正比。在高温高压作用下，热等静压炉内的包套软化并收缩，挤压内部粉末使其与自己一起运动。高温高压同时作用下粉末的致密化过程与一般无压烧结或常温压制有很大差异，其致密化过程大致分为3个阶段，第1个阶段是粉末的靠近与重排阶段，第2个阶段是粉末材料的塑性变形阶段，第3个阶段是粉末粒子的扩散蠕变阶段。这3个阶段并不是截然分开的，在热等静压过程中它们往往同时起作用而促进粉末体的致密化，只是当粉末体在不同收缩阶段，由不同的致密化过程起主导作用[9-11]。

1.4 钛合金粉末冶金技术优点

钛合金粉末冶金技术被认为是进一步提高钛合金性能和降低其价格的出路。与传统方法相比，钛合金粉末冶金技术有如下优点：

1) 致密度高，在很低的温度下粉末便可固结到很高的密度，具有良好的微观结构，可实现完全致密，晶粒细小，组织均匀，构件内部无缺陷。

2) 具有较强的成形能力，由于非常一致的加热，脆性材料也可被压缩成型。易于制备形状复杂的产品，可制备高性能多功能钛基复合材料。

3) 生产周期短，工艺过程简单，能耗低，材料损耗小，所制备的零件基本为净形，可节省大量原材料，减少机械加工，降低成本，视零件形状复杂程度，成本可降低20%～50%。

4) 材料性能优越，可全面达到或超过锻件的水平。可重复性好，良好的批产质量稳定性，无因材料问题导致的批产废品，成品率高。

2 钛合金粉末冶金技术的应用

随着钛合金粉末冶金技术的迅速发展，其制品已广泛应用于航空航天和军事工业上。包括航空发动机、航天器、氢泵叶轮、薄壁舱体、空气舵骨架、导弹尾翼、贮箱、潜艇潜望镜筒体等[12]。近年来，钛合金粉末冶金技术已在空空导弹中得到应用，如某型空空导弹二舱壳体、舵翼面等。

某型空空导弹伺服机构壳体之前为了满足使用要求，需要定购专用毛坯，该毛坯是由钛合金锻造而成的锻环，材料致密化程度不高，内部缺陷较多，合格率较低，实现大批量供货比较困难。锻环合格后再对其进行机械粗加工与精加工，材料利用率只有10%，生产周期为6个月，已成为伺服机构的一个交付瓶颈，严重制约了伺服机构的生产交付。

如果采用钛合金粉末冶金技术加工毛坯，可实现伺服机构部分低精度尺寸的一次成型，无需再进行机械加工，并且生产效率高，质量一致性好，成品率高。

粉末冶金毛坯交付后只需对其进行机械精加工即可，材料利用率达到70%以上，提高了60%，生产周期为4个月，缩短了30%，解决了伺服机构壳体的交付瓶颈问题。

如图2所示为采用钛合金粉末冶金技术试制的某型空空导弹伺服机构壳体，经超声波无损检测，未发现内部缺陷，致密化程度较高。其随炉拉伸试棒(图3)力学性能测试结果如表1所示，表2给出了钛合金其他加工方法下的力学性能测试结果。

图2 伺服机构粉末冶金壳体

图3 随炉拉伸试棒

表1 随炉拉伸试棒力学性能测试结果

加工方法及状态抗拉强度σp/MPa屈服强度σp0.2/MPa延伸率δ5/%断面收缩率ψ/%粉末冶金(热等静压)≥934≥866≥14.8≥42.8

表2 钛合金其他加工方法力学性能测试结果

通过对比分析，采用钛合金粉末冶金技术加工出的产品力学性能比锻件更加优越，抗拉强度和屈服强度较高，对粉末冶金材料比较困难的塑性指标延伸率和断面收缩率均达到了较高水平。并且产品均匀致密，具有良好的微观结构，晶粒细小，无内部缺陷，可以更好地满足先进空空导弹对高强度、高致密轻质材料的使用要求。

3 结论

钛钛合金粉末冶金技术作为一种先进的钛合金材料制备成型技术，已广泛应用于航空航天和军事工业上。随着钛合金粉末冶金技术的发展，它在空空导弹中的应用也越来越多，对某型空空导弹伺服机构壳体而言，采用钛合金粉末冶金技术，可以大幅度提高材料利用率，缩短加工周期，降低生产成本，并且产品加工性能和力学性能更加优越。可以更好地满足先进空空导弹对高强度、高致密轻质材料的使用要求，因此，先进空空导弹技术的发展离不开钛合金粉末冶金技术的支持。

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(责任编辑 唐定国)

Research of Titanium Alloy Powder Metallurgy Technique

LI Hai-hong， SUN Hui

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

This article introduced titanium alloy powder metallurgy technique and hot isostatic pressing, in which the process and operational principle of hot isostatic pressing were analyzed, meanwhile the advantages and application of titanium alloy powder metallurgy technique were researched. The air-to-air missile servo shell machined by titanium alloy powder metallurgy technique has superior mechanical properties, good microstructure and has no inner-flaw in it. The production cycle can be reduced 30% and the material utilization can be increased 60%, and it resolved bottleneck problem brought by servo shell in using forged ring processing delivery, and the processing properties and mechanical properties of servo housing were further improved, which can better meet the air-to-air missile on the use of high strength and high density of lightweight material requirements.

titanium alloy; powder metallurgy technique; hot isostatic pressing; air-to-air missile; servo shell

2015-01-15

李海泓(1985—)，男，工程师，主要从事伺服系统结构设计研究。

10.11809/scbgxb2015.08.022

李海泓，孙慧.钛合金粉末冶金技术研究[J].四川兵工学报，2015(8):89-91.

format:LI Hai-hong，SUN Hui.Research of Titanium Alloy Powder Metallurgy Technique [J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(8):89-91.

TJ765

A

1006-0707(2015)08-0089-03