由于航空航天用的零部件愈来愈多, 愈来愈复杂, 钛粉末冶金零件已成为比锻制的或铸造后热等静压制(HIPed) 的零件更为经济的代替品。

在过去, 钛粉末冶金零件的疲劳强度不够, 因此从未用于关键部位。最近的研究工作表明, 控制好粉末的杂质和显微组织后,生产出来的粉末冶金零件其疲劳强度与锭冶材料的相当。

制造高纯度的预制合金粉末及改进粉末冶金的压制工艺, 可使粉末冶金零件的性能达到锻件标准, 而成本只与铸造后热等静压制零件的相当。

保持粉末纯净十分重要

精密成形的钛粉末冶金零件是用预制合金粉末或几种元素混合的粉末制造出来的。对于有更高要求的各种用途, 由于混合元素的粉末冶金零件疲劳强度不符合要求, 所以选用预制合金粉末冶金方法。

远在三年前, 用现代工艺生产的预制钛合金粉末冶金零件有关裂纹扩展的性能( 如抗拉强度、断裂韧度及疲劳裂纹扩展速度) 已达到锭冶材料的水平。可是控制裂纹产生的性能, 即疲劳强度却低于锭冶材料。

最近获得的数据进一步证明: 预制合金粉末冶金零件有关裂纹扩展的性能已达到锭冶材料的水平,更重要的是, 新的研究工作还表明: 正确地控制粉末纯净度及显微组织, 可使粉末冶金零件的疲劳性能也相当于锭冶材料的性能。

控制好制造粉末的工艺过程和生产与包装粉末的环境, 就能得到纯净的粉末。

这两个因素决定了预制合金粉末的杂质含量。目前, 能达到粉末纯净度要求的实用的粉末制造工艺只有一种, 即美国核金属公司研究出来的等离子旋转电极工艺(PREP)。

PREP工艺是将制造粉末用的预制合金作为电极,在惰性气体内旋转, 同时用等离子弧过度加热。

熔化的电极材料微滴溅射后凝固成均匀的球形微粒。采用等离子加热而不用钨电极, 消除了产生钨污染的可能性。在清沽的房间环境内包装粉末, 可使装运时的污染降到最低程度。

粉末冶金与锭冶材料在性能上可媲美

控制预制合金粉末冶金零件的显微组织, 既改进了与裂坟扩展有冷的性能, 也改善了控制裂纹产生的性能, 即疲劳强度。用PREP预制合金粉末制造的Ti-6AL-4V粉末冶金零件, 其典型的平均抗拉强度超过军标MILT-9047的最低要求。

例如, 用PREP粉末制造的Ti-6AL-4V的平均屈服强度及抗拉强度分别为135000磅/平方英寸及144000磅/平方英寸, 都满足120000磅/平方英寸及130000磅/平方英寸的军标最低要求。平均延伸率及截面积收缩率分别为15%及33%, 分别达到不小于10%及25%的要求。不同的取向对各项性能影响不大。

控制显微组织可得到全等轴晶粒组织,从而提高了Ti-6AL-4V粉末冶金零件的疲劳强度。而且粉末冶金产品的显微组织可以比较严格地进行控制。如果产品中不存在晶体织构, 它的疲劳强度分散度可小于锭冶材料的分散度, 从而可使零件获得较高的机械性能, 以供在特定环境中使用。

零件形状越复杂, 粉末冶金越经济

钛质零件的生产总成本是锻造、机加工及材料费用的函数。锻造和机加工的费用与零件的尺寸和复杂程度成正比。

原材料重量与最后零件重量之比愈大, 成本也愈高。对大型、复杂的零件来说, 粉末冶金加工比其他方法更为经济, 大型、复杂零件用常规方法加工时, 其原材料重量与零件重量之比是很大的。

将用粉末冶金制造的各种零件与锻制的相同零件比较, 粉末冶金法可降低成本20~50%( 随零件的尺寸与复杂程度及其生产数量而异)。此外, 在原料短缺时, 粉末冶金零件与相应的锻制零件相比, 交货期可以缩短50%或更多。

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