國外鈦粉末冶金結構合金產品的應用

鈦粉末冶金技術，開始于本世紀50年代初期，但到70年代才有明顯的突破。此后，世界各發達國家都投入了較大的力量，研究此項技術，開發它的冶金產品，使其在許多工業領域獲得了較為廣泛的應用。近年來，鈦產品在航空領域上，除高溫性能結構件之外，正往高溫鈦合金發展；在非航空領域，鈦產品的需求也在不斷增加。日本Kobo鋼公司專家預計[1]世紀末，西方工業市場鈦在非航空工業上的應用，將由目前鈦加工產品產量占三分之一提高到至少占二分之一。

與鈦的鑄造冶金相似，在鈦粉末冶金應用的發展中，各國根據其需求各有其側重。美國多用于軍事和航空工程，西歐各工業國家（主要是德國、英國和法國），致力于發展航空和部分民用鈦粉末冶金產品，特別是航空結構件方面的技術和產品較多。日本已在大力開發鈦的民用產品，尤其是海洋、化工、能源等方面的鈦粉末冶金產品。俄羅斯在石油、化工、冶金諸領域的鈦粉末冶金產品的應用也表現出了較高的水平。

在工業中普遍使用的結構鈦合金有[2]: 工業純鈦，Ti-6 Al-4 V，Ti-5 Al- 25 Sn,Ti-6 Al-6 V-2 Sn- (CuFe),Ti-8 Al-l Mo-l V。粉末冶金鈦結構合金常根據實際需要采用與其相似的合金，而應用較多的則是Ti-6 Al-4 V。現就粉末冶金鈦結構合金產品的國外現狀以及應用情況介紹并分析如下。

1．航空用粉末冶金鈦結構合金產品

1.1航空用產品

早在1956年，美國通廚電器公司采用熱壓海綿鈦粉的方法，生產出大量的GET73渦輪噴氣發動機軸承座，隨后僅通過精整性的機械加工而成*終產品，其成本與用鍛造棒料經機械加工成同樣的制品比較降低了25%～30% [3]。當時，在美國飛機制造工業中采用了熱壓Ti-6 Al-4 V合金粉末制造鉚釘、C-5 A運輸機的閉鎖環和TF39發動機的壓縮機葉片，用非合金化的粉末制成了圓盤和閥座 [3]。

美國Dynamet公司用Ti-6 Al-4 V合金粉末預成形毛坯，鍛造成燃氣輪葉片。美國核材料及設備公司采用預成形毛坯一鍛造—精制工藝制造了燃氣渦輪發動機的導葉和吊貨環[4]。美國格魯曼宇航公司在一項耗資200萬美元的海軍計中，用陶瓷模熱等靜壓方法生產F-14戰斗機的內支撐桿（0.77kg）和發動機短艙骨架（23.85kg），材料的利用率由15%～30%提高到50%～60%，有的甚至高達90%，成本降低25%～37%。據稱，該F-14飛機用熱等靜壓（HIP）Ti-6 Al-4 V粉末制成的機身支柱，其成本由鍛件制作的每件400美元降至245美元。

德國MBB公司用預合金粉末（PA）Ti-6 Al-4 V熱等靜壓后鍛造，生產直升飛機葉片連桿接頭和空中公共汽車的連接臂，材料節省40%，僅采用HIP工藝就是成本降低25%，進一步選擇*佳工藝還可使成本減少至34%[5、6]。

1.2 航空用產品經濟效益評價

一般而言，對于大型復雜部件，用粉末冶金制造比用鑄造法生產具有更大的吸引力[7]。據分析，按構件的大小和復雜程度，粉末冶金法可降低成本20%～50%。

德國Kruup公司研究所的Grene H.[8]用Ti-6Al-4V和Ti-10V-2Fe-3Al預合金粉和陶瓷模熱等靜壓法生產了機械性能與鑄造合金相當的復雜形狀的葉輪，而其成本則降低了40%，其成本構成主要分布在鍛造和機加工工序上。因此，如果對形狀復雜構件采用更加接近的凈成型技術，其經濟效益更為明顯。

美國坩堝材料公司生產F-18戰斗機引擎固定支撐架，形狀相對簡單，成本的高低主要取決于粉末成本和生產規模[7]。規模生產時該構件成本為常規方法的三分之一。很明顯，采用粉末冶金法生產大型復雜構件可與常規工藝競爭，決定生產成本的主要因素是粉末成本、生產規模以及真正的接近凈成形。

1.3  航空用產品發展中的問題

在復雜結構的粉末冶金鈦合金航空結構件的生產中，對于非疲勞應用部件采用BE法可滿足性能要求，并可以大大降低成本；至于采用PA法生產的部件，其性能（尤其是疲勞性能）已可與鑄造法生產的產品相比；對于復雜的大型部件其生產成本也較低，但其在航空領域中的應用卻較少，其進展之緩慢令人難于理解。Froes F.H 認為其原因在于航空工業固有的保守性。因此，要想開拓PA產品的應用，一方面必須堅持產品的低成本，另一方面應使產品設計達到用戶所需的水平。同時還應加大生產規模，采用更加接近凈成型的技術生產復雜構件，并采用化學表面處理提高表面性能，或應用噴丸處理來提高構件的疲勞性能。

2汽車用粉末冶金鈦結構合金產品

2.1 汽車用鈦部件

鈦的輕質、高強早已為汽車制造商所注目。鈦在賽車上的應用已有20余年歷史，目前賽車幾乎都是用了鈦材，一部分體育用車也采用了各種鈦部件。在賽車發動機上使用鈦材，可減輕運轉部件的重量，提高其加速性能。在美國，已生產出用于賽車的鈦制排氣閥、閥護圈和連桿等部件并已在市場上出售。日本*初使用鈦材的汽車是“日產”R382型。目前，汽車用鈦部件主要包括[9]：

(1) 閥。在美國，用鈦合金做進、排氣閥的專業廠家較為普遍。進氣閥使用Ti-6Al-4V合金，排氣閥使用Ti-6Al-2Sn-4Zn-2Mo合金。用鈦合金制作的進氣閥重55g，比鋼制閥的重量減輕了35g，而高速性能提高10%～15%。1個鈦排氣閥較鋼閥可減輕50g,而且可靠性高，壽命提高2～3倍。此外，據報道，采用鈦合金作進排氣閥還可節省燃油2%[1]。現在這些閥已用于汽車的各類發動機上。

(2) 閥擋板。用Ti- 6A1-4V合金制造的閥擋板廣泛用于賽車和體育用車中，年產量高達25萬件以上，且價格便宜，它不需要作表面處理（汽車用鈦材一般須采用特殊的表面硬化處理，以解決鈦易粘接的問題），同時較鋼閥輕10～12 g。日本則用Ti- 5A1 -2Cr-Fe合金制造閥擋板。

(3) 連桿。用鈦合金制造連桿對減輕發動機重量*有效。Groth K．[10]通過對鋼制連桿的計算表明：用鈦合金取代時，由于重量的減輕，使性能提高43%；若考慮*大負荷應用部分而需部分強化，其性能也可提高27%。即使再考慮鈦合金低彈性系數需強化，性能仍可提高17%。連桿所用材料為Ti- 6A1- 4V，其它如Ti- 4A1- 4Mn0 - 2Si、Ti- 7AI- 4Mo等合金材料也在研制中。

(4) 曲軸及其它發動機部件。日本等國正在試制Ti- 5AI- 2Cr- Fe合金曲軸，這種曲軸需要進行防粘接處理，目前還未實用化。

其它發動機部件包括Ti- 6A1- 4V合金搖臂、閥簧和連桿的下螺栓等。

(5) 車體和其它部件。用Ti- 6AI- 4V管和法蘭焊接在排氣系統使用，可減輕重量35%～45%。在Prosche 908型車中，用純鈦管、板焊成全鈦排氣系統，重量減輕450 kg。此外，還有鈦制螺栓、螺母等連接件和離合器圓盤、壓力板等變速器零件。用旋轉成型法制造的鈦離合器外殼，與鋼外殼相比，更易緩和飛輪的破壞沖擊。

總之，通過采用輕質高強鈦合金可以減少汽車發動機的噪音、沖擊和振動，提高燃油效率。因此，在鈦產品越來越趨向非航空市場時，它進入汽車行業有著重大的意義。美國難熔金屬有限公司有報告指出：福特公司在1989年的車型中汽缸部件采用了鈦合金制件；而日本三菱公司在1986年車型中已采用鈦合金進、排氣閥。日本YAMAHA發動機公司生產的超級負載型體育用車FZR 750R采用了鈦合金連桿，產品小型且有良好的平衡重心裝置，高速下可確保連續耐久使用，價格為每輛200萬日元。日本三菱金屬公司中央研究所利用Ti- 6AI- 2Sn - 42r - 2Mo合金廢屑經鑄造制作閥頭，用Ti-6 Al-4V合金廢屑制作閥桿，用摩擦焊連接，制作出汽車發動機的進、排氣閥。

2.2汽車用粉末冶金鈦結構合金部件

上述的汽車用鈦合金結構件均為鑄造或鍛造產品。據報道，前蘇聯在70年代就將鈦粉末冶金產品應用于汽車發動機，如在0.5 t的Zaporozhers - 969汽車上就成功地采用了粉末冶金連桿，并且預計每生產鈦粉末熱鍛連桿10萬個，可節省16 450盧布。日本在1975年就采用燒結鈦作為車輪螺母和外罩等。

1987年美國Clevite公司用混合元素法( BE)生產出鈦的閥簧保持杯和連桿。采用該公司MR-9專利方法生產的Ti- 6AI-4V合金的閥簧保持杯，經過冷壓、真空燒結，完全滿足機械性能要求（尤其是疲勞性能），重量由常規的鍛鋼件的28.5 g降低至粉末冶金件的8.5 g，抗拉強度和疲勞性能均超過規定值，重量減輕70%，材料利用率為100%，成本較之重7.8 g的鑄鈦件低，并通過了Honda汽車公司在Amsler疲勞試驗中進行的10兆周期疲勞試驗。Clevite公司用冷等靜壓、真空燒結Ti- 6A1- 4V合金粉末連桿坯，然后由Honda R&D有限公司按其設計進行機械加工和檢驗，結果表明：MR-9工藝生產的連桿具有良好的性能，抗

彎強度比相同截面鋼連桿的極限強度(108MPa)高21%～43%，對連桿和表面拋光試樣進行反復拉壓，其持久強度分別為212MPa和254 MPa，材料利用率為80%，Honda公司估計*少可減輕33%的重量[11、12]。

2.3可能的發展

隨著鈦趨向于民用領域以及鈦的特性帶來汽車性能的顯著改善，鈦在汽車工業大規模生產中的應用有很大的潛力。汽車上至今尚未大量使用鈦合金雖然有價格偏高的原因，但顯然也存在著對它宣傳不力和開發不足的原因。雖然采用鈦減輕1kg重量會使成本上升600～800日元[9]，以至目前還難于在普通車上使用，但隨著能源問題日趨嚴重，高燃油效率汽車已是普遍汽車制造商和顧客共同關心的問題。每1臺車只要使用1kg鈦部件，按目前汽車生產規模，鈦的用量是相當可觀的。顯然，只要正確選擇汽車中零件，對產品進行優化設計，采用可滿足汽車使用性能而成本又較低的混合元素法粉末冶金技術，并合理組織規模生產，將有可能是鈦合金結構材料在普通汽車中獲得廣泛的應用。

采用粉末冶金方法生產Ti3Al和TiAl金屬間化合物基鈦合金，可代替汽車發動機中耐熱鋼，減輕汽車的重量和提高燃油效率。它可能會比汽車用工程陶瓷更易于實用化。

3.其他應用

日本專家預測粉末冶金燒結鈦在精密機械中有如下用途：攝影機零件（快門等），鐘表零件（表殼），計測儀器、試驗機部件，復印機、印刷機部件等；在電子工業中的用途有：磁帶錄像機導輥、磁頭材料，通訊機械（振動膜材料），家用電器零件、軸承等。此外，在日用品、體育用品、工藝品、醫療機械中亦有應用。在民用工業中，采用鈦粉末冶金方法與鈦合金鑄造法相比也是有利可圖的。實際上某些液壓系統的異型機件，螺母，閥環，筒支架等配件都已批量生產。近年來，日本十分注意開發鈦在體育用品、建筑、裝飾、家具、烹調器具等方面的應用，其產品基本上鑄造和加工制品。很明然，對于更為看重經效益的民用工業而言，鈦粉末冶金方法在中一部分產品上的應用很具有吸引力。日本開發鈦自行車，包括鈦制車圈、車架、大梁、車頭、車把、導向環、齒輪和其它部件，系采用軋制、矯型或鍛造的方法制成。每輛車重8.5～9.5kg，其需求量相當大，*賽車每輛售價達25～30萬日元。如，日本Mori工業公司和Shimano等公司試制一組稱為DURA-ACE的*自行車零件，其中包括鏈輪曲軸裝置，飛輪導向裝置，腳蹬，導向輪，卡式制動器等零件已在市場上出售，它代替鐵制件后，可使車的重量減輕50%～60%，通過熱處理和表面處理提高鈦合金的硬度后，可獲得滿意的性能。在這類應用中，類似于上述部件和其它螺母類零件采用粉末冶金鈦合金在技術和經濟上都是可行的。

綜上所述，在未來的高科技時代中，鈦粉末冶金結構合金的應用有著極為廣闊的前景。