粉末冶金Ti6Al4V合金的研制进展.pdf

第 1 3 卷第 2期 VO 1 ． 1 3 NO ．2 粉末冶金材料科 学与工程 M a t e r i al s Sc i e nc e and Engi ne e r i ng of Po wde r M e t a l l ur g y 2 0 0 8 年 4月 Ap r ． 2 0 0 8 粉末冶金 T i 6 A I 4 V合金的研制进展 赵瑶 ，贺跃辉 ，江矗 中南大学 粉末冶金 旧家重点实验章，长沙 4 1 0 0 8 3 摘要T i 6 A 1 4 V合金具有 良好的力学性能和广阔的应用领域。该文作者在阅读大最新、老文献的基础上，综述 了采用传统粉末冶金法和粉末冶金新技术制备 T i 6 A1 4 V合金的』 力史及现状， 并将粉木冶金 T i 6 A 1 4 V合金的力学性 能与相应的铸造和锻造合金性能进行对比。结果表明，采用传统和新的粉末冶金技术制备 T i 6 A1 4 V合金，都能在 降低成本的同时，使合金性能满足应用要求；随着近净成形技术的发展，制品性能和成本都将进一步优化。还对 粉末冶金法制备多孔 T i 6 A 1 4 V材料的研究进 展进 行了论述 ， 认为粉末 冶金法能进一步扩大 T i 6 A 1 4 V合金在 医学领 域的应用 范 。 关键 词T i 6 A1 4 V合金 ；粉末冶金；力学性 能 中图分类号T F 1 2 5 ． 2 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 3 0 2 2 4 2 0 0 8 2 ． 7 0 0 9 Re s e a r c h p r o g r e s s o f Ti 6 AI 4 V a l l o y pr e p a r e d b y p o wde r m e t a l l u r g y ZHAO Ya o， HE Yue h ui ， J I ANG Ya o S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f P o wd e r Me t a l l u r g y ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， C h i n a Ab s t r a c t De v e l o p me n t o f T i 6 A1 4 V a l l o y p r e p a r e d b y c o n v e n t i o n a l a n d n e w p o wd e r m e t a l l u r g y t e c h n o l o g y i s d e s c ri b e d i n d e t a i l ， a n d i t s me c h a n i c a l p r o p e rt i e s a r e c o mp a r e d wi t h T i 6 A1 4 V a l l o y f a b ric a t e d b y c a s t o r f o r g e d t e c h n o l o gy ． T h e r e s ul t s s ho w t h a t po wd e r me t a l l ur gy t e ch no l ogy ca n r e d u ce t h e c os t of Ti 6A1 4V a l l o y a n d i t s me c ha n i c a l p r op e r t i e s c a n a l s o s a t i s r e q u i r e me n t s o f a p p l i c a t i o n ．I n t h e p r e s e n t p a p e r ,r e s e a r c h p r o g r e s s i n Ti 6 A1 4 V p o r o u s ma t e ria l i s a l s o e l a b o r a t e d ， wh i c h s h o ws p o wd e r me t a l l u r gy t e c h n o l o g y c o u l d e x t e n d t h e r a n g e o f a p p l i c a t i o n i n me d i c a l s c i e n c e a r e a o f Ti 6 A1 4V a l l o y f ur t he r ． Ke y wo r ds T i 6 A1 4 V a l l o y ； p o wd e r me t a l l u r g y ； me c h a n i c a l p r o p e i e s 钛合金具有密度低 、比强度高 、耐热及耐腐 蚀性 好 、生物相容性优异等优点，在航空 、化工 、兵器、 核 工 业 、运 动 器 材 及 医疗 等 领 域 得 到 了广 泛 的应 用 。臼前己研 究出的钛合金有 1 0 0多种， 然而只有 2 0 ～ 3 0种达到商 应用水平。2 0世纪 5 0年代初期， 由美 国的 I l l i n o i s技术 研究所 开发 的属 于 a 6 型 的 T i 6 A 1 4 V 合金是最典型 、研究最为深入的钛合金 ，具 有良好的综合力学性能，如表 l所示_ 6 ] ，其应用率 占 5 0 ％以上 ，最大 的应用领域是航空工业 。用铸造和锻 造 技术制备的 T i 6 A 1 4 V合金件 已被成功地应用在高技 术领域 ，如军用和商业飞机 的机身 结构件【 7 ] 。但是 ， 用锻造和铸造方法生产钛合金，由于工艺复杂、成材 率低 、产品成本 高以及后续加工困难，阻碍 了其更为 广泛 的应用 ] 。因此 ，需要寻找流程简 单且成 本较低 的钛合金制备工艺，使其达到汽车、体育器械等民用 行业所 能接受 的材料性能及 成本水平 。 粉末冶金是 1 种生产 复杂形状零件 的近净成形技 术 ，具有工艺流程短 、材料利用率高 、 组织细小均匀、 成分可控 以及近净成形等优 点_ 7 ] ，是制备高性 能、低 成本钛合金的理想工艺。 粉末冶金钛合金研究始于 2 0 基金项目国家自然科学基金委员会创新研究群体科学基金资助项 目 5 0 7 2 1 0 0 3 收稿 B期 2 0 0 7 0 8 2 4 修 订 B期 2 0 0 7 0 9 1 7 通讯作者贺跃辉，电话0 7 3 1 8 8 3 6 1 4 4 E m a i l y u c h u i ma i l C S H ． e d u c n 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 l 3 卷第 2期 赵瑶，等 粉末冶金 T i 6 A 1 4 V合金的研制进展 7l 世纪 5 0年代。最早采用预合金法 P r e ． a l l o y i n g ， P A 1 制 备钛合金 ，但 是生产 成本对于 民用领域仍显 昂贵 ，使 其应用受到制约 J 。 2 0 世纪 8 0年代后期， 混合元素法 B l e n d i n g e l e me n t s ， B E 1J 备钛合金得到较快的发展。 近年来， 随着粉末冶金新技术的发展， 注射成形 Me t a l i n j e c t i o n mo l d i n g ，MI M 、激光快速成形 L a s e r r a p i d p r o t o t y p i n g ，L R P 等新技术 已被应用于 T i 6 A 1 4 V 合金 的制备， 并进一步扩大了T i 6 A 1 4 V的应用领域。 同时， 粉末冶金 多孔 T i 6 Al 4 V制备 技术的发展和完善 ，又使 其在医学领域得到应用。 1 传统粉末冶金法制备 T i 6 A I 4 V合金 1 ． 1 预合金法 预 合金法 P A 是采用预合金粉末 为原料 ，通 过热 等静压 Ho t i s o s t a t i c p r e s s i n g ， HI P 1 制备粉末冶金合金 的技术方法 ，由其制备 的 T i 6 Al 4 V合金 的相对密 度达 到 9 9 ％以上【 j 叭 。德 国姆波公司用预合金法 生产 出直升 机叶片连杆接 头和大型客机 的连接臂 ，与锻件相 比， 材料节省 4 0 ％，成本 降低 3 4 ％[ 1 l 】 。1 9 8 1年 ，WI R T H ] 利用电子束熔化和离心雾化法制备出T i 6 A1 4 V预 合金粉 ，再通过热等静压制 备了 T i 6 Al 4 V 合金，并研 究了粉末中的杂质对裂纹形成的影响；通过俄歇能谱 仪检测发现，一些特殊尺寸的粉末表面有富铝层，在 H I P过程 中，这些富铝层可 能形成脆性 的 T i 3 A1 相 ， 并导致循环 加载过程 中结构 件过早失效 ，去除这些杂 质可显著提 高结构件 的疲劳 强度 。早期 P A 法制 备的 制 品尺 寸和形 状与最 终产 品相差很大 ，并且制备成本 高，后 来美国坩埚公司成功开发 出陶瓷模热等静 压技 术，利用该技术可制备全致密形状复杂的钛合金近形 产 乃 】 ，材料的力学性能达到熔锻钛合金的水平。美 国 C o l t I n d u s t ri e s 公司生产的 T i 6 Al 4 V 叶轮和 飞机零 件，尺寸精度很高，与铸件和锻件相比，成本降低了 2 0 ％～5 0 ％，成材率提高了 1 ． 7 ～7 倍 ] 。 1 ． 2 混合 元素法 随着钛粉制备技术的发展，T i 6 A 1 4 V 合金的制备 更 多地采用混合元素法 B E 。 B E法是将钛粉和元 素粉 按照合金的成分配比混合后，经模压或者冷等静压成 形 ，再在真空下烧结 。用此方法制 备的钛合金可 能会 有很高的杂质含量，但不会引起材料力学性能的显著 降低㈣ 。 B E法与 P A法相比，成本进一步降低，且原材料 更容易成形， 但 B E法中如果只经过模压和真空烧结， T i 6 A1 4 V 合金 的相对密度仅达到 9 5 ％，组织为粗大的 魏 氏体 ，室温 拉伸性 能很低【 8 】 。随后发展 了多种 混合 元素法 新工艺 ，如冷等 静压 C I P 真空烧 结。采 用该 工艺制备出相对密度达到 9 4 ％以上[ 1 5 - 1 6 ] ，组织更加均 匀 的 T i 6 Al 4 V烧 结体 ，但合金 中仍然存在不均匀分布 的孔隙 ；随后 ，通过 H I P处理 ，T i 6 A1 4 V 合金的相对 密度大于 9 9 ％【 ，组织仍为粗大的。 [ 相魏氏体 】 ，其 力学性 能与锻造合金相 当； 这种工艺简称 C H I P 。 早期 的粉末冶金钛合金产品由于没有足够的疲劳强度，很 难应用在航 空等领域 。然而 ，进 一步研 究发现 ，通过 控 制粉 末 的杂质 及合 金 的组织 ，可 以提 高其 疲劳 强 度[ I 。因此研究人员开展了杂质和组织结构对 P A和 B E 两种 粉末冶金方法生产 的 T i 6 Al 4 V 合 金性能影响 的研究 “ 。 I V A S I S H I N等 采用 混合元 素法，以 Y i H 2 粉 和 A 1 ． V 中 间合金粉或 A l 、V 元素粉为原料，仅通过 压制和烧结 ，制备 出相对密度高达 9 9 ％的 T i 6 A1 4 V合 金烧结体 ；并且烧 结体组织均匀 ，杂质含量特别 是氧 元素含量很低；其抗拉强度达到 9 7 0 MP a ，伸长率为 6 ％ 。 2 0 0 6年 ，L I U 等 [ 2 】 对 传统粉末冶金 方法制备 的 T i 6 Al 4 V合 金 ，与铸造和锻 造 T i 6 A 1 4 V合金 的力 学性 能进行 了对 比，结果表 明，粉末冶金 T i 6 Al 4 V合金 的 力学性 能达到 了熔锻 材料 的水平。 1 ． 3 T i 6 A l 4 v合金 的热加工和热处理 由于大 多数粉末 冶金产 品存在 残留孔隙和晶粒大 小不均匀的问题，应用在动力传动等方面时存在很大 的安全 隐患【 2 ，因此 随后的二次处理过程 是非常必要 的。微观组织对 T i 6 Al 4 V 合金力学性能有很大的影 响 ，所 以，人们在通过热加工和热 处理 改变其微观组 织方面进行了大量的研究 ” 。 1 9 9 5年 ，MI Z U NUMA等[ 3 2 - 3 3 ] 研究 了用 B E法制 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 2 粉末冶金材料科学与工程 备的 T i 6 A 1 4 V合金烧结体的锻造／ 义高温变形特性，研 究结果表 明，存合适的模锻条件下 ，叮完伞消除烧结 体中的孔隙，得到全致密的 T i 6 A 1 4 V；热变形可将原 始粗大的烧 结组织细化 ，从而提 高材料的力学性 能。 2 0 0 7年 ，K H AN等发现，T i 6 A 1 4 V 合金 的变形抗力对 温 度的敏感性高十应变率的『2 。对锻件性 能要求高的 时候，宜采用等温锻造[ 。但是，等温锻造费用很 高，因为锻造模具一般采用镍基高温合金制造 ，并 且 由于等温锻造是在超塑性 成形 T i 6 A 1 4 V合金 的基础 上发展起来 的 ，锻造 时变形速率低 ，材料变形加工 需要较长时间。1 9 8 6年，WE I S S等_ 】 6 I研究了等温热 锻对元素混合法制备的 T i 6 A 1 4 V合金烧结体 的力学性 能、相对密度 以及显微组织的影响，研究表 明变形 量显著地影 响合金的显微组织， 进而影响其 力学性 能， 但 通过 工艺优化可 以得到 良好的力学性 能。2 0 0 3 年 ， J OHNS ON等 8 J 研究 了 T i 6 A1 4 V 合金微观 组织和应变 率对其压缩变形性能的影响，研究结果表明随着应 变率的增加，材料的屈服强度和流变应力增加；存魏 氏体和等轴组织 2种组织 中，裂纹彤核、裂纹扩展方 式 以及材料 失效 的方式不 同，且 i t 力学 响应随应变率 的变化而变化 ；在应变率较低的情况 下，两种组织 的 力学响应 相似。 T i 6 A 1 4 V等 0 【 p型钛合金的热处理分为 p 热处理 和 4 1 3 热处理 两火类 。S Z K L I N I A R Z等[4 0 】 通过计 算确定，在一定的加热速率 内， Ⅱ 十 B p是以扩散形式 进行的，0 【 ／ B界面迁移 导致 B 相 区扩大 。早在 2 0世纪 7 0 年代 ， 就l开始研 究不同热处理工 艺对 T i 6 A 1 4 V合金 的显微组织和性能的影响『 4 卜 舢 。在 p热处理 中，p转 变是通过扩散过程f 形核、长大 或非扩 散过程f 马氏体 转变 进行的f 4 。2 0 0 1 年 ，G I L等f 4 6 i 在对 T i 6 A 1 4 V合 金进行 13 热处理时发现， c 【 一B时， 13 晶粒很容易长大； 并且 ，组织转变对热处理的温度和时间十分敏感 ；随 冷却速率增加， 魏氏体片的厚度减小；材料的韧性 随 冷 却 速 率 的增 加 逐渐 降低 。一 般 情 况 下 ， 对 于 T i 6 A 1 4 V 合金 的热处理规范如表 2所示l 4 。 表 2 T i 6 A 1 4 V合金的热处理规 范_ 4 7 ] Ta bl e 2 He a t t r e a t me n t c r i t e r i on of Ti 6 A1 4 V a l l o y[ 】 A n n e a l i n g Q u e n c h a g i n g R e 1 i e f a n n e a 1 i n g 8 1 5 ～ 8 4 5 ℃ ． 1～ 8 h．f uma c e c o o l i ng t o 5 65 ℃． a i r c o o l i n g 8 1 5 9 5 5℃． 5 ～6 O rai n ，wa t e r q ue n c hi n g； 4 8 O ～ 5 4 0 ℃ ． 4～ 8 h ． a i r c o o l i n g 4 8 0 6 5 0℃ ． 1 ～ 4 h． a i r c o ol i n g u s u a l l y a t 5 9 5℃． 1 h ， a i r c o o l i n g 随着有限元模拟程宁的完善，可以计算组织的演 变，从而间接地确定零件的性能 。今后研究 l[ 作重 点应该是研究冶金模型，在降低成本的同时，进一步 优化材料的组织和 力学性 能。 2 粉末冶金新技术制备 T i 6 A I 4 V合金 2 ． 1 金属粉末注射成形法 金属粉末注射成彤法 MI M 作为一种粉末近净成 形方法， 其生产成本低、 制备出的材料显微组织均匀、 已成功地用来制备出多种金属产品。然而，在活泼金 属零部件制备方面的成功实例较少，直到 2 0世纪 9 0 年代中期，才出现金属注射成形钛合金的商业产品。 这主要是因为用 MI M 法制各 的合金，存在 间隙杂质 含鼍较高、烧 结密度和抗拉强度低等 问题【 。为了减 少 MI M 制备的 T i 6 A 1 4 V合金 中的间隙杂质含量 ，开 发 了改进的石蜡 基粘结剂_ 4 。为了提高烧 结密度和 拉伸性能 ，对烧 结样品再进行热等静压处理 ，随后通 过退火消除样品中的残余应力，使材料的拉伸性能得 到显著提高L 5 【 1 I l 。 MI M 法制备 T i 6 A1 4 V合金的原料为混合元素粉 或预合金粉。1 9 9 7年，T OMI O等【 】 采用混合元素粉 通过 MI M 工艺制备了 T i 6 A1 4 V合金，其力学性能与 用预合金粉制备的合金性能对 比见表 3 。 表 3 采 用混合元素粉和预合金粉由 MI M 法制备 的 T i 6 A1 4 V烧结体的性 能 T a b l e 3 P r o p e r t i e s o f Ti 6 A1 4 V s i n t e r e d c o mp a c t u s i n g b l e n d e d e l e me n t a l p o wd e r a n d ／ o r p r e a l l o y e d p o wd e r b y M I M i 2 】 No t e GAGa s a t o mi z e d ，HDH-- Hy d mg e n a t e d d e h y d r o g e n a t e d 。P A P r e a l l o y e d 2 0 0 4 年 ，G UO 等 [ 5 3 1 研 究 了用 MI M 法 制备 的 T i 6 A 1 4 V 合金的显微组织和力学性 能的关系 。结果表 明， 真空烧结的 T i 6 AI 4 V合金具有典型的魏氏体组织， 孔隙较 多； 经热等静压处理后， 组织 明显细化且均匀 ， 孑 L 隙很少直至接近全致密 ，其力学性能如表 4所示 。 2 0 0 6 年， G U O等 J 增加了后续退火处理来优化 MI M 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 l 3卷第 2期 赵瑶，等粉末冶金 T i 6 A I 4 V合金的研制进展 7 3 工艺，并研究了退火工艺对材料组织和力学性能的影 响 。研 究结果表 明，坯体在 7 2 0 ～ 7 6 0℃退火 时有最优 的拉伸性能，显微组织为由等轴 0 【 晶粒和少量 6晶粒 组成的两 相结构 。得到 的 T i 6 A1 4 V合 金的最优 力学性 能与其它文献报 道的相应性能 的比较如表 5所示 。 此 技术 已申请 了专 利l 5 ，采用该技术 能够制得 综合力学 性能较好、尺寸精度高达士 0 ． 2 ％的 T i 6 A 1 4 V 合金零 部件。 由于 MI M 法制 备 T i 6 Al 4 V 合金 时所用 原料大都 为气雾化粉末，成本较高『 5 6 J 。 2 0 0 5 年喻岚等[ 5 7 ] 采用成 本较低的氢化一 脱氢 HD H 钛粉和氢化钛粉 ，通过 MI M，并且采用一步法制备 T i 6 A 1 4 V合金 ，即脱氢 在 脱脂或烧结中实现。所制备的T i 6 A1 4 V合金的性能如 表 6所示 。 尽管 以 T i H 2 为原料制备 的烧结件 ，由于在 烧结过程中坯件被污染，影响了烧结体的力学性能， 但 是，该研究证 明了在 高真空下 同时去除粘 结剂和 氢 是可能的 。 典型 的 MI M 钛合金产品有手表 、眼镜 的零 部件 及高尔夫球杆头等。钛的优良性能与 MI M 方法的特 点 能 大量 生 产形 状 复杂 的 金属 制 品1 相 结 合 ，使 得 MI M 钛合金产品具有广泛的应用前景[ 引 。 2 ． 2 快速成形技术 钛合金 的变 形加 工非常 困难 ， 且原材料价格 昂贵 ， 为 了降低其 生产 成本，发展了快速成形技术 。直接 用 金属粉末烧结成 形三维 零件 已成为快速成形制造 的最 终 目标之 一【 5 。激 光快 速成 形是 将计 算机 辅助 设计 C o mp u t e r a i d e d d e s i g n，C AD 、计 算机辅 助制造 C o m p u t e r a i d e d ma n u f a c t u r i n g ， C A M 、 计算机数字 控 ] C o mp u t e r n u me r i c a l c o n t r o l ，C NC 等，与激光、精 密伺服驱动等先进技术集成 的一种全 新的材料制备技 术。近期发展的快速成形技术 有选 择性激光烧结 S e l e c t i v e l a s e r s i n t e r i n g ，S L S 、激光熔覆 成形 L a s e r c l a d d i n g f o r mi n g ， L C F 、 激光冲击成形 L a s e r s h o c k i n g f o rm i n g ， L S F 、 激光直接制造 D i r e c t l a s e r f a b r i c a t i o n ， D L F 等 。 2 ． 2 ． 1 选择 性激光 烧结 选择 性激 光烧结 S e l e c t i v e l a s e r s i n t e r i n g ，S L S 是 目前快速 成形技 术中发展最快的技术之一 。选择性激 光 直 接 烧 结 金属 粉 末 一 般 称 为 直 接 金 属 激 光 烧 结 Di r e c t me t a l l a s e r s i n t e r i n g ，DML S ，是 由德国 E O S 公司开发的。它能在几小时内，利用三维 C AD 数据 直接 制造 出真正的近净形零件 I 6 。烧结 中金属粉末 颗粒熔化凝固形球过程如图 1 所示。在烧结过程中易 出现球化 效应和变形 ，球化效应导致成形件强度和密 度减 小、表面粗 糙度增大及尺寸精度降低 ，这是造成 烧结件变形和断裂的根本原因之一【 6 。1 9 9 9 年，D A S 等【 6 ] 用S L S ／ HI P S e l e c t i v e l a s e r s i n t e r i n g ／ h o t i s o s t a t i c p r e s s i n g 技术制备 出 T i 6 A1 4 V 合金 ，该技术具有选择 性激光烧 结和热 等静压两种技术 的优点 ，被称为低 成 本快速制备技术。 2 0 0 4年， P O HL等【 6 5 ] 用 DML S技术 I n i t i a l po wde r s 图 1 选择性激光烧结中 金属粉末 颗粒熔化凝 固形球 过程 示意图 F i g ． 1 S c h e ma t i c d i a g r a m o f me t a l p o wd e r s wh i c h me l t ， s o l i d i f y a n d b a l l i n S L S 表 4 MI M 法制备的 T i 6 A1 4 V的室温力学性能 】 T a b l e 4 Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f T i 6 A1 4 V a l l o y p r e p a r e d b y MI M a t r o o m t e mp e r a t u r e [ 】 表 5 几种用 MI M 法制备的 T i 6 A1 4 V合金力学性能比较 T a b l e 5 Co mp a r i s o n o f me c h a n i c a l p r o p e rti e s o f T i 6 A1 4 V a l l o y [ ] p r e p are d b y u s i n g M I M 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 4 粉末冶金材料科学与工程 2 0 0 8年 4月 表 6 用不 同原料制备的 T i 6 A 1 4 V 合金的性能 T a b l e 6 Co mp a r i s o n o f me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f Ti 6 A1 4 V a l l o y p r e p a r e d b y M I M u s i n g d i f f e r e n t ma t e ria l [ 制备出 T i 6 A 1 4 V合金时，通过一次加工成形过程就使 T i 6 A l 4 V 合金接近全致密 ；并且在惰性气体 中进行激 光烧结可使杂质的含量 降低 到超 低的间充 填 隙 水平 E x t r a l o w i n t e r s t i t i a l l e v e 1 。 2 ． 2 ． 2 激光冲击成形技 术 激光冲击成形技术 L a s e r s h o c k f o r mi n g ，L S F 是 通过精确设计模具 ，严格控制激光加 工工艺参数 ，合 理调整成形工序 ，生产出不需或仅 需少量加工的产品 零件 的工艺技术[ 6 6 ] 。 激光冲击成形原理如 图2 所示[ 6 7 ] 。 该技术 具有 传统锻造 工艺 的优 点 良好 的显微组 织和 完整的流线 ， 成形过程中通过严格控制激光加工工艺 参数，使得产品成形后达到预期的显微组织要求，从 而获得所要求 的材料力学性能。而且，它不 需要后续 加工 ，在缩 短产 品生产周期和节省原材料的同时，大 大降低了生产成本 。2 0 0 5年，高长伟等L 6 对 T i 6 A 1 4 V 合金薄板进 行了激光冲击成形实验，结果表 明，激光 冲击成形技术不仅可实现 T i 6 A 1 4 V合金薄板 的成形 ， 而且细化了显微组织结构，从而提高了材料的物理和 力学性能； 冲击区表层硬度的最大值 H V5 6 6 ． 6 约是基 体硬度值 H V 3 2 1 ． 9 1 的 1 ． 8倍。 R E N等【 6 8 ] 研究了激光冲 击成形对 T i 6 A 1 4 V合金力学性能的影响，结果表 明， 随着激光功率密度 的增加 ，材料表面冲击区的硬度 增 大，表面硬化层的显微 硬度最高达到 H V4 9 0 。 图 2 激光冲击成形原理 图 F i g ． 2 Ba s i c p r o c e s s o f l a s e r s h o c k p r o c e s s i n g 2 ． 2 ． 3激光直接 制造技 术 激光直接制造技术 Di r e c t l a s e r f o r mi n g ， D L F 是 2 0世纪 9 0年代在快速成形技术的基础上 ，结合激光 熔覆技术发展起来 的一种无模快速制造技术，该技术 能快速制造出致密的近净形金属零件。2 0 0 1 年，ME I 等【 6 9 j 用 D L F制造 出 T i 6 A 1 4 V 合金 的近净形件，其研 究表明，激光成形的工艺条件对 T i 6 A1 4 V合金的微观 结构有重要影响，通过控制其工艺参数可获得不同孔 隙度或者全致密的T i 6 A 1 4 V合金零件。 2 0 0 4年， G AO 等_ 7 0 j 利用激光快速成形技术制备了T i 6 A I 4 V合金，并 研究了低温退火及热等静压处理对 T i 6 A 1 4 V合金力学 性能的影响。 G A O等 的研究结果表 明 激 光快速 成形 技术制造的 T i 6 A 1 4 V 合金的力学性能高于铸造合金 的 ，并可 以达 到锻造组织的性能水平，例如在闭式成 形条件下，激光快速成形的 T i 6 A 1 4 V合金，抗拉强度 达 1 0 4 0 MP a 左右，屈服 强度约为 9 4 0 MP a ，伸 长率 约为 8 ％。 采用上述几种工艺制造出的钛合金毛坯，其精度 已超过传统闭式模锻的水平，材料的内部质量达到甚 至超过整体锻压金属的内部质量，在航天、航空、造 船、国防等领域具有极大的应用前景。 2 ． 3 凝胶 注模成形 凝胶注模成形 G e 1 ． c a s t i n g t e c h n o l o g y 是一种新的 陶 瓷近净成形工艺 ，可成形 各种复杂形状和尺寸 的零 件，有望在粉末冶金领域得到广泛应用【 7 ” 。2 0 0 6 年， 郝俊杰等[ 7 2 ] 申请了用凝胶注模成形法制备T i 6 A1 4 V合 金的专利。该专利采用凝胶注模成形技术制备钛合金 坯体，再经过脱脂和烧结制备钛合金。此专利技术的 优点在于 工艺简单， 成本低， 可制备具有较高尺寸精 度和复杂形状的零、部件。然而，目前还没有相关资 料 表明这种成形方式制备的 T i 6 A 1 4 V 已能应用于实际 生产 。 除上述工艺外，2 0世纪 6 0年代，美国率先将电 火花烧 结技术用于钛粉末冶金 。但是，电火花烧结在 非真空下进行 ，造成 T i 6 A1 4 V合金受污染，材料的延 性较差。为此，电火花烧结工艺未能在钛粉末冶金中 广泛应用 。 总之，随着成形新技术的发展，钛合金成形将采 用近净成形，并在 改善性能 的同时降低制备成本 。 3 粉末冶金T i 6 A I 4 V多孔材料的制备 T i A 1 金属间化合物具有优异 的性能 ，其多孔材料 能适应苛刻的服役条件，有利于进一步扩大过滤材料 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 3卷第 2期 赵瑶 ，等粉末冶金T i 6 A 1 4 V合金的研制进展 7 5 的应用领域[ M 】 。T i 6 A 1 4 V具有 良好的生物相容性和抗 腐蚀性能，钛的弹性模量则与人体组织相近，其多孔 植入体 能与骨骼 发生相互作用 ，使骨骼在 多孔 植入体 表面生长、体液 可以通过三 维连通 孔阵列传输[ 7 5 ] ，从 而增强骨骼与植入 体界面 的结合 。另外 ，T i 6 A1 4 V 多 孔材料有相对较低的弹性模量， 降低了应力遮蔽程度， 从而延 长植入 体的寿命[ 1 。但 是，由于钛合金 的缺 口 敏感性 ， 具有多孔表面层的植入体的疲劳强度将 降低 ， 通常需要通过制备表 面层 等离子喷涂 、 烧结和扩 散连 接等 使植入体获得较高的疲劳强度。 制备 多孔 T i 6 A1 4 V基体材料 ，可采用传统粉末 冶 金法[ “ 1 。制备多孔 T i 6 A 1 4 V材料的新技术主要为快速 成形技术 R a p i d p r o t o t y p i n g ，R P 。 2 0 0 7年， L I 等 用快速成形技术 R P 制备了多孔 T i 6 A1 4 V 材料 。他们首先用计 算机 辅助设计 C AD 设 计出 3 D 连通孔的石蜡模型 ；再将 T i 6 A1 4 V含水粉 浆 浇注入 该模 型中，制成坯体 ，通过干燥 、脱脂 以及 高 温高真空下烧 结制成 多孔 T i 6 A1 4 V合 金。研 究结果表 明，通过该技术制备的T i 6 A 1 4 V多孔体与设计的结构 相 同；用 C A D 技术可 以根据客户需求很容 易地控 制 模型 的微观和宏观结 构，从而制备出植入体 。在此之 前他们还利用快速成形三维纤维沉积技术 3 D fi b e r d e p o s i t i o n ，3 DF 成功制备出 3 D 多孔 T i 6 A 1 4 V 脚支 架[ 们 。这些 3 D多孔 T i 6 A1 4 V脚支架 能满足组织 工 程和整形植入 的要 求，有望用于生物医疗方面 。 有报道预 言，医学领域 的用钛量 目增可 能促进钛 市场 的形成与 目益扩 大 ，估计每年医学界的钛需求 量 将超过 1 0 0 0 t 。所以粉末冶金多孔 T i 6 A 1 4 V材料的制 备及性能研究将成为热点。 4 T i 6 A I 4 V合金发展趋势 根据 国内外 钛合金 的研究和 开发现 状 ，T i 6 A 1 4 V 合金未来的发展趋势可能为 1 减少粉末冶金钛合金 制备工序 ，只通过压 制． 烧 结过程使产 品达到全致密 ， 并缩短烧结时间；2 利用新型的近净成形技术制备 T i 6 A1 4 V 合金零部件，并降低生产成本，提高材料性 能； 3 进一步完善 T i 6 A1 4 V合金的热加工和热处理工 艺，并通过完善的有限元模拟程序研究其冶金模型， 在降低成本的同时，实现工艺和控制优化，提高材料 的力学性能； 4 通过表面修饰或添加增强相等方法提 高 T i 6 AI 4 V合金的性能； 5 研究多孔 T i 6 A 1 4 V材料的 制各技术及其性 能表征 ，并应用 于医学领域 。根据粉 末冶金的特点成分可设计性，设计出更多的性能 更好 、成本更低 的钛合 金。 REFERENCES [ 1 ] AR C E L L A F G F R OE S F H．P r o d u c i n g t i t a n i u m a e r o s p a c e c o m p o n e n t s f r o m p o wd e r u s i n g l a s e r f o r mi n g[ J