由于航空航天用的零部件愈來愈多, 愈來愈復(fù)雜, 鈦粉末冶金零件已成為比鍛制的或鑄造后熱等靜壓制(HIPed) 的零件更為經(jīng)濟(jì)的代替品。

在過去, 鈦粉末冶金零件的疲勞強(qiáng)度不夠, 因此從未用于關(guān)鍵部位。最近的研究工作表明, 控制好粉末的雜質(zhì)和顯微組織后,生產(chǎn)出來的粉末冶金零件其疲勞強(qiáng)度與錠冶材料的相當(dāng)。

制造高純度的預(yù)制合金粉末及改進(jìn)粉末冶金的壓制工藝, 可使粉末冶金零件的性能達(dá)到鍛件標(biāo)準(zhǔn), 而成本只與鑄造后熱等靜壓制零件的相當(dāng)。

保持粉末純凈十分重要

精密成形的鈦粉末冶金零件是用預(yù)制合金粉末或幾種元素混合的粉末制造出來的。對于有更高要求的各種用途, 由于混合元素的粉末冶金零件疲勞強(qiáng)度不符合要求, 所以選用預(yù)制合金粉末冶金方法。

遠(yuǎn)在三年前, 用現(xiàn)代工藝生產(chǎn)的預(yù)制鈦合金粉末冶金零件有關(guān)裂紋擴(kuò)展的性能( 如抗拉強(qiáng)度、斷裂韌度及疲勞裂紋擴(kuò)展速度) 已達(dá)到錠冶材料的水平?？墒强刂屏鸭y產(chǎn)生的性能, 即疲勞強(qiáng)度卻低于錠冶材料。

最近獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明: 預(yù)制合金粉末冶金零件有關(guān)裂紋擴(kuò)展的性能已達(dá)到錠冶材料的水平,更重要的是, 新的研究工作還表明: 正確地控制粉末純凈度及顯微組織, 可使粉末冶金零件的疲勞性能也相當(dāng)于錠冶材料的性能。

控制好制造粉末的工藝過程和生產(chǎn)與包裝粉末的環(huán)境, 就能得到純凈的粉末。

這兩個(gè)因素決定了預(yù)制合金粉末的雜質(zhì)含量。目前, 能達(dá)到粉末純凈度要求的實(shí)用的粉末制造工藝只有一種, 即美國核金屬公司研究出來的等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝(PREP)。

PREP工藝是將制造粉末用的預(yù)制合金作為電極,在惰性氣體內(nèi)旋轉(zhuǎn), 同時(shí)用等離子弧過度加熱。

熔化的電極材料微滴濺射后凝固成均勻的球形微粒。采用等離子加熱而不用鎢電極, 消除了產(chǎn)生鎢污染的可能性。在清沽的房間環(huán)境內(nèi)包裝粉末, 可使裝運(yùn)時(shí)的污染降到最低程度。

粉末冶金與錠冶材料在性能上可媲美

控制預(yù)制合金粉末冶金零件的顯微組織, 既改進(jìn)了與裂墳擴(kuò)展有冷的性能, 也改善了控制裂紋產(chǎn)生的性能, 即疲勞強(qiáng)度。用PREP預(yù)制合金粉末制造的Ti-6AL-4V粉末冶金零件, 其典型的平均抗拉強(qiáng)度超過軍標(biāo)MILT-9047的最低要求。

例如, 用PREP粉末制造的Ti-6AL-4V的平均屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度分別為135000磅/平方英寸及144000磅/平方英寸, 都滿足120000磅/平方英寸及130000磅/平方英寸的軍標(biāo)最低要求。平均延伸率及截面積收縮率分別為15%及33%, 分別達(dá)到不小于10%及25%的要求。不同的取向?qū)Ω黜?xiàng)性能影響不大。

控制顯微組織可得到全等軸晶粒組織,從而提高了Ti-6AL-4V粉末冶金零件的疲勞強(qiáng)度。而且粉末冶金產(chǎn)品的顯微組織可以比較嚴(yán)格地進(jìn)行控制。如果產(chǎn)品中不存在晶體織構(gòu), 它的疲勞強(qiáng)度分散度可小于錠冶材料的分散度, 從而可使零件獲得較高的機(jī)械性能, 以供在特定環(huán)境中使用。

零件形狀越復(fù)雜, 粉末冶金越經(jīng)濟(jì)

鈦質(zhì)零件的生產(chǎn)總成本是鍛造、機(jī)加工及材料費(fèi)用的函數(shù)。鍛造和機(jī)加工的費(fèi)用與零件的尺寸和復(fù)雜程度成正比。

原材料重量與最后零件重量之比愈大, 成本也愈高。對大型、復(fù)雜的零件來說, 粉末冶金加工比其他方法更為經(jīng)濟(jì), 大型、復(fù)雜零件用常規(guī)方法加工時(shí), 其原材料重量與零件重量之比是很大的。

將用粉末冶金制造的各種零件與鍛制的相同零件比較, 粉末冶金法可降低成本20~50%( 隨零件的尺寸與復(fù)雜程度及其生產(chǎn)數(shù)量而異)。此外, 在原料短缺時(shí), 粉末冶金零件與相應(yīng)的鍛制零件相比, 交貨期可以縮短50%或更多。

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