一、钛的粉末冶金

（一）钛粉末冶金制品制备方法

粉末冶金作为一种现代冶金和材料加工的先进技术方法，在钛工业领域发挥了重要的作用，该技术发展较快，已相继开发了许多粉末冶金制品的生产技术和方法，如模压成形、粉末锻造、粉末热压、粉末挤压、粉末轧制、等静压、注射（喷射）成形、爆炸成形、自蔓延高温合成等。这些新技术、新工艺的出现，促进了粉末冶金材料的迅速发展。

传统粉末冶金方法生产钛合金制品主要步骤首先是粉末的制备，然后通过对疏松的粉未施加一定的外压使其达到致密化，接着对压坯进行烧结，以得到一定性能的制品。常用的压制方法有等静压和非等静压两种，可以在常温或高温下对粉末进行压制。为了使最终产品得到较好的力学性能，必要时需对坯件进行热处理。

实际上，钛合金粉末冶金制品的力学性能、化学特性与钛铸件大体相同，从使用角度来看，凡使用钛铸件的地方都可以使用钛合金粉末冶金制品。采用粉末冶金方法制造出的机械零件切屑少或无切屑，减少了大量的机加工，节约金属材料，提高了劳动生产率。但采用传统粉末冶金生产的制品形状受到一定限制，只能生产形状较简单的产品。钛合金粉末治金常规制备方法包括元素粉末法（BE）和预合金粉末法（PA），属一种近净成形法。在粉末冶金生产中，许多常规技术都可使用，包括常规的压制和烧结工艺、弹性胶套、冷等静压（CIP）、陶瓷模或金属包套、热等静压（HIP）等。

元素粉末法成本较低，工艺比较成熟。工艺过程为：先将元素粉末按合金的成分配比混合，后经压力机在约400MPa压力下冷压成形，然后在1260℃左右真空烧结3h；烧结体相对密度为95%~99%。烧结后通过固溶-热等静压（约1200K，200MPa）处理可改善合金的疲劳性能，烧结体相对密度可达99.8%，其拉伸强度与熔铸件相当或更高。元素粉末法的特点是使用的粉末（如HDH粉、海绵钛粉）价格低廉，且元素粉末相对预合金钛粉屈服强度要低，容易成形，因此元素粉末法有着广泛的市场前景。

元素粉末法是钛粉末冶金工艺中成本最低的，且工艺简单，可有效压制烧结制成复杂零件。元素粉末法的最新研究结果表明，该方法利用氢化钛粉与A1:V为60:40的合金生产的 Ti-6AI-4V合金元件，其烧结密度和与之相关的显微组织、力学性能与铸件、锻件相当这种低成本且性能优良的近净成形法可得到大量的推广应用。预合金化粉末法主要有旋转电极法和气体雾化法等，大多是将合金滴快速凝固，从而获得预合金粉，所以又称“快速凝固法”。预合金粉末适宜于热成形，粒度分布很窄，Ti6A1-4V粉末的平均粒度一般约为 30.1um。通过制粉和粉末加工过程控制，可使疲劳强度提高到压力加工材料水平。利用预合金化粉末加工成形的钛合金具有细的晶粒组织，可提高室温性能及高温超塑性的可成形性。目前人们使用预合金粉法生产的粉末冶金产品性能与铸造及锻造产品性能相当。

（二）钛粉末冶金制品的应用

钛粉末冶金制品的应用非常广泛，涉及许多工业领域以及国民经济的各个部门，例如钛粉末冶金异型件主要应用于石油、化工、氯碱、湿法冶金、化肥、农药等工业部门，使用效果良好。

二、超塑性成形与扩散连接

超塑性成形（SPF）与扩散连接（DB）相结合是最为引人注目的近净成形工艺之一。其优点如下。

①可不必机加工而生产出最终的形状、尺寸，从而大大节约了成本，缩短了流程和工期。

② 温度较低，由于不形成氧化膜，因而无需酸洗。

③可生产整体构件，取代多个单一零件组成的集成件，减少了制造和连接的费用，因此更为经济、可靠、便捷。

（一）超塑性成形

超塑性是指金属材料在合理的成形温度和小的应变速率下不发生宏观颈缩而产生极大塑性应变的能力。复杂的薄壁钛构件可以进一步成形。

SPF主要用于制造航空件如管道、机翼舱口板、喷嘴、发动机箱体和叶片，也可用于生产非航空用产品。

超塑性具有以下几点要求。

① 变形温度应达到熔点温度的一半左右，对于钛合金大致为8相转变温度的90%左右

② 低的变形速率。由于高温下的塑性变形主要由蠕变引起，而促使蠕变有两个冶金条件，即极细的显微组织和高变形温度下稳定的细晶组织，其中前者是因为变主要受晶界滑移的控制。通常，细小的等轴晶或α+β合金的两相组织可满足以上要求。SPF 钛合金的典型晶粒尺寸小于10μm，呈等轴状，且显微组织较为均匀。具有SPF特性的钛合金主要Ti-6AL-4V、Ti6AL-2Sn-4Zr-2Mo、Ti4.5A1-3V-2Mo-2Fe、Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al等。

对于Ti-6AL-4V合金，变形温度为925℃左右，典型应变速率为10^-1~10^-4 S^-1。模具内通入热氩气，并在适当压力下使板材发生超塑性变形而成形为下模的最终形状。

SPF/DB工艺所形成的接头具有高的整体性，能使被结合部分冶金结合为一体。由于钛易氧化，因而加工必须在真空或保护气氛中进行。

超塑性成形具有坚实的基础，尤其在航空工业领域更是如此，它能经济地生产薄壁板状构件，如 Ti-6AL-4V薄板超塑性加工而成的空中客车A300/310服务台，即便是形状复杂的构件，也只需很少量的后续加工。

为了进一步提高SPF加工的经济性，人们在提高应变速率和/或降低变形温度方面做了大量研究。使生产能力和工模具寿命得以提高。β钛合金SP-700（Ti-4.5A1-3V-2Mo-2Fe）在此方面具有较大发展前景。由于其显微组织非常细小、β转变温度低，在800℃左右不明显增大流变应力的条件下可以进行超塑性成形。更有利的是，在该温度下也可实现扩散连接。

（二）扩散连接

钛合金材料在空气中短时间内能形成一层致密的氧化物层，因而具有耐蚀性。该保护层在高温时具有向材料内部扩散的倾向。钛的这种“自清理”特性以及良好的固态扩散能力可用于钛薄板的平面连接，其连接强度可达到母材水平。

如果裸露的钛表面在50%熔点温度被压在一起，就会产生扩散，从而使表面结合在一起，其界面成为连续的显微组织，原界面消失。通过扩散过程中产生的局部连接能成形复杂的三维薄板结构。连接过程中不出现液相，无过热的、降低连接结构强度的（与基体强度相比）组织。该工艺被称为扩散连接（DB），DB温度近似于SPF温度。扩散连接的主要工艺参数为时间和压力。SPF-DB加工温度低，不仅可以延长模具寿命、节约加工成本，而且可以减少高温下合金晶粒的长大和氧化。