氫化－脫氫鈦粉末注射成形工藝實驗研究*

顧永華，許建文

（華僑大學 模具技術研究中心，福建 廈門 361011）

鈦及其合金具有密度低、比強度高、耐蝕性好、高溫抗蠕變、焊接性能優良、生物相容性優異等優點，具有廣闊的應用前景，但鈦熔煉困難，制備成本高，尤其是機加工性能差，鈦及其合金目前多在航空航天、醫療等性能因素占主導地位的領域應用［1］.粉末冶金是一種以金屬粉末為原料的成形方法，先將粉末成坯，再進行燒結（通常低于熔煉溫度），過程無切削或少切削，是一種凈成形方法，特別是近年來發展的金屬粉末注射技術，能大批量生產形狀復雜金屬制品，越來越受到人們重視［2～3］，該技術使鈦及其合金的廣泛應用成為可能.

粉末注射成形多采用球狀的氣霧化粉末，易成型，但氣霧化粉成本高，限制了進一步應用.當前一種低成本鈦粉制備方法是氫化－脫氫（HDH）法［4～7］，HDH鈦粉為不規則形狀，喂料制備、注射成型及燒結控制困難，關于該方面的研究成果鮮有報道［8］.本文通過實驗研究HDH鈦粉末注射工藝，旨在尋求一種低成本純鈦工件制備工藝，以獲得組織均勻、力學性能較好的鈦制品.

1 試驗材料與方法

試驗所用－325目氫化－脫氫（HDH）鈦粉成分如表1所示，鈦粉末為不規則形狀.粘結劑采用質量分數65；石蠟（PW）、15；低密度聚乙烯（LDPE）、15；聚丙烯（PP）、5；硬質酸（SA），粉末體積裝載率為57；.將鈦粉與粘結劑于混煉機內160℃共混2h.注射溫度 160℃，注射壓力110MPa，注射標準拉抻試樣100mm ×7mm ×4mm，脫脂采用溶劑脫脂法和熱脫脂法結合，脫脂溫度采用參考熱重分析（TGA）和差熱分析（DTA），脫脂溶劑采用三氯乙烯溶液，熱脫脂與燒結采用TH－VTS50真空脫脂燒結一體爐，用GX51F金相顯微鏡觀察試件斷面，燒結密度通過排水法測量，WD－E拉伸力學性能在電子萬能試驗機上測定.

表1 HDH鈦粉末的化學成分（質量分數）；

2 試驗與分析

2.1 溶劑脫脂

實驗溫度選擇40℃、50℃、60℃、70℃.同一實驗條件同時放入3個生坯，0.5h、1h、2h、3h、4h、5h后對脫脂坯進行干燥、稱量，計算各試樣脫脂率，并取平均值，實驗結果見表2.

表2 不同條件下的溶劑脫脂率

2.2 熱脫脂

DSC曲線如圖1，根據粘結劑的組成，分析如下：55℃左右的放熱峰對應PW的熔點；110℃放熱峰對應LDPE的熔點；125℃吸熱峰對應少部分SA的分解；200℃左右的微小放熱峰對應PP的熔點；350℃左右吸熱峰對應LDPE分解；470℃吸熱峰對應PP的分解.

由TG曲線可看出，在30℃ ～260℃區間，對應PW和少部分SA分解揮發；在260～325℃區間，粘結劑中低分子量組元開始熱解；325℃ ～600℃區間，LDPE和PP分解揮發.

圖1 溶劑脫脂后注射坯TGA－DTA曲線圖

圖2 熱脫脂升溫曲線

綜上分析，選定圖2所示熱脫脂升溫曲線，脫脂初期階段（室溫至100℃），粘結劑還未熱分解，蒸發慢，產生蒸氣少，對坯體結構產生影響小，升溫速率可取2℃/min；100℃ ～330℃區間，粘結劑中低分子量組分開始熔融熱解，但粉末間尚未形成孔隙通道，如升溫過快，熱解作用將產生大量揮發性小分子氣體，使坯體起泡、變形、甚至開裂，因此采用較低升溫速率（1℃/min）；325℃后粘結劑中的石蠟（PW）已熱解完畢，粉末間孔隙通道已形成，粘結劑中的LDPE、PP開始分解，因此330～400℃區間升溫速率可加快至2℃/min；400℃ ～600℃階段，坯體中存在大量連通孔隙，可繼續保持快速升溫；升溫至600℃后保溫1h，隨爐冷卻，實驗表明：經溶劑脫脂和熱脫脂后坯體脫脂率可達97；，此時坯體依靠粉末顆粒間的嚙合力來支撐其形狀，對樣品操作須小心，避免崩塌.

2.3 燒結致密度

表3顯示了燒結相對密度與燒結時間和燒結溫度之間的關系.1150℃時，燒結相對密度隨燒結時間延長變化不明顯，表明1150℃燒結還不足以使粉末坯體進一步致密化；1250℃時，致密化過程明顯加快，保溫2h相對密度可達86.7；，表明1250℃為較為合適的燒結溫度.

表3 不同燒結條件下的相對密度

2.4 顯微組織與力學性能

圖3可看出，隨燒結時間延長，孔隙數量逐漸減少；燒結2h后，多數孔隙逐漸趨于圓化，減少了微裂紋等缺陷的出現.表4顯示：燒結溫度1150℃時，燒結體抗拉強度和斷裂伸長率隨保溫時間的延長而提高，燒結溫度1250℃時，抗拉強度和伸長率隨保溫時間延長略有降低.圖4斷口形貌顯示，燒結體呈現明顯脆性斷裂特征.

圖3 燒結純鈦顯微組織

表4 不同燒結條件下注射純鈦的力學性能

圖4 拉伸試樣斷口形貌

3 結論

3.1 溶劑脫脂過程中，粘結劑脫除率隨著溫度上升和時間延長而提高.當脫脂溫度70℃、5小時后，脫脂率基本保持不變，達到74.2；.

3.2 熱脫脂過程中，低溫階段升溫速率低，保溫時間長，高溫階段可提高升溫速率，減少保溫時間，在600℃保溫1h后，脫脂率達97；.

3.3 燒結階段，溫度升高，保溫時間延長，使燒結件致密度提高.1250℃保溫2h后相對密度達86.7；，抗拉強度385MPa，伸長率4.8；，除少量不規則孔隙外，殘余孔隙趨于圓形，減少了微裂紋等缺陷出現，獲得較好的力學性能.

［1］楊冠軍.鈦合金研究和加工技術的新進展［J］.鈦工業進展，2001，（3）.

［2］熊運昌，楊萍，丁文偉.金屬粉末注射成型技術及應用［J］.新技術新工藝，2003，（3）.

［3］祝寶軍.硬質合金注射成形工藝研究［D］.長沙：中南大學，2002.

［4］喻嵐.注射成形鈦合金的研究［D］.長沙：中南大學，2004.

［5］喻嵐，李益民，鄧忠勇，李篤信.采用氫化－脫氫（HDH）鈦粉和氫化鈦粉制備MIM Ti－6Al－4V合金［J］.稀有金屬材料與工程，2005，（10）.

［6］郭世柏，曲選輝，秦明禮，段柏華，何新波.鈦合金粉末注射成形熱脫脂工藝的研究［J］.材料工程，2006.（增刊）1.

［7］郭世柏，張厚安，張榮發，何新波，秦明禮，曲選輝.熱處理對粉末注射成形鈦合金的組織與性能的影響［J］.北京科技大學學報，2007，29（7）.

［8］王瑞鋒，吳運新，鄒欣，唐傳安.注射成形純鈦脫粘和燒結工藝研究［J］.粉末冶金技術，2006，24（2）.