摘要：以氢化-脱氢（HDH）钛粉为原料，采用PW/LDPE/PP/SA粘结剂体系共混注射喂料，经溶剂脱脂、热脱脂、真空烧结后得到致密纯钛，力学测试和金相观察表明：HDH钛粉末注射工艺可以获得组织均匀、力学性能较好的钛制件。

关键词：氢化脱氢钛　粉末注射　脱脂　真空烧结

 

Study on HDH titanium Powder Injection Molding Process

 

Abstract: Hydrogenation-dehydrogenation(HDH)titanium powder as raw material, using PW/LDPE/PP/SA binder blend injection Molding Feedstock. After solvent debinding, thermal debinding, sintering in vacuum,  dense pure titanium are gained. The mechanical testing and metallographic observation shows that HDH titanium powder injection process can achieve uniform microstructure, good mechanical properties Ti part.Hydrogenation - dehydrogenation ( HDH ) titanium powder as raw materialHydrogenation - dehydrogenation ( HDH ) titanium powder as raw material,Hydrogenation - dehydrogenation ( HDH ) titanium powder as raw material,Hydrogenation - dehydrogenation ( HDH ) titanium powder as raw material, Hydrogenation - dehydrogenation ( HDH ) titanium powder as raw material, Hydrogenation - dehydrogenation ( HDH ) titanium powder as raw material, Hydrogenation - dehydrogenation ( HDH ) titanium powder as raw material,

 

Key word:  HDH Ti; Powder injection; Debonding; Vacuum sintering

 

1前言

 

钛及钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、高温抗蠕变、焊接性能优良、生物相容性优异等优点， 但钛的制备成本高、机加工性能差，因而大多只在航空航天、医疗等性能因素占主导地位的领域应用^[1]。粉末冶金（P/M）是一种近净成形技术，成为钛制品生产的一种可行的方法，其中金属粉末注射（MIM）方法能大批量生产形状复杂、性能优异的产品，因而越来越受到人们重视^[2]。

目前钛粉末注射一般采用气雾化钛粉，气雾化粉末呈球形，易成型，但成本高。现在一种较普遍的低成本钛粉制备方法是氢化-脱氢（HDH）法^{[3] [4]}， HDH钛粉为不规则形状，喂料制备、注射成型及烧结控制困难，关于该方面的研究鲜有报到^[5]。本文通过实验研究HDH钛粉末注射工艺，旨在寻求一种低成本纯钛工件制备工艺，以获得组织均匀、力学性能较好的钛制品。

2试验材料与方法

 

试验所用-325目氢化-脱氢(HDH)钛粉成分如表1所示,钛粉末为不规则形状。粘结剂采用质量分数65%石蜡（PW）、15%低密度聚乙烯（LDPE）、15%聚丙烯（PP）、5%硬质酸（SA），粉末体积装载率为57%。将钛粉与粘结剂于混炼机内160℃共混2h。注射温度160℃，注射压力110MPa,注射标准拉抻试样100mm ×7mm ×4mm，脱脂采用溶剂脱脂法和热脱脂法结合，脱脂温度采用参考热重分析( TGA) 和差热分析(DTA)，脱脂溶剂采用三氯乙烯溶液，热脱脂与烧结采用TH-VTS50真空脱脂烧结一体炉，用GX51F金相显微镜观察试件断面，烧结密度通过排水法测量, WD-E拉伸力学性能在电子万能试验机上测定。

 

表1：HDH钛粉末的化学成分(质量分数) %

 

Ti	O	H	N	Mg	Mn	C	Si	Cl
99.55	0.35	0.03	0.03	0.03	0.02	0.03	0.02	0.04

3试验与分析

 

3.1溶剂脱脂

实验温度选择40℃、50℃、60℃、70℃。同一实验条件同时放入3个生坯, 0.5h、1h、2h、3h、4h、5h后对脱脂坯进行干燥、称量，计算各试样脱脂率，并取平均值，实验结果见表2。

表2：不同条件下的溶剂脱脂率　

3.2热脱脂

DSC曲线如图1，根据粘结剂的组成，分析如下：55℃左右的放热峰对应PW的熔点；110℃放热峰对应LDPE的熔点；125℃吸热峰对应少部分SA的分解；200℃左右的微小放热峰对应PP的熔点；350℃左右吸热峰对应LDPE分解；470℃吸热峰对应PP的分解。

由TG曲线可看出，在30℃～260℃区间，对应PW和少部分SA分解挥发；在260～325℃区间，粘结剂中低分子量组元开始热解；325℃～600℃区间，LDPE和PP分解挥发。

图1： 溶剂脱脂后注射坯TGA－DTA 曲线图

图2： 热脱脂升温曲线

综上分析,选定图2所示热脱脂升温曲线，脱脂初期阶段（室温至100℃），粘结剂还没有热分解，低分子量的粘结剂蒸发比较慢，产生的蒸气少，不会对坯体结构产生不利影响，升温速率取2℃/min；100℃～330℃区间，这一阶段粘结剂中的低分子量组分开始熔融、热解，但粉末间孔隙通道尚未形成，如果升温过快，则热解过快，产生大量挥发性小分子气体，导致坯体鼓泡、开裂、变形，因而采取较低升温速率(1℃/min)；330～400℃区间，升温速率可稍微加快(2℃/min),因为在325℃后占粘结剂65%(质量分数) 的石蜡(PW) 已热解完毕，粉末间的孔隙通道已初步形成，高分子组元已准备开始分解；400℃～600℃阶段，可快速升温(2℃/min)，此时脱脂坯中已形成大量连通孔隙,粉末颗粒间还残存着高聚物共混物起到最后的“骨架”保形作用； 600℃保温1h 后随炉冷却脱脂率达97%，此时坯体依靠粉末颗粒间的啮合力来支撑其形状,对样品操作须小心，避免崩塌。

3.3烧结相对密度

表3显示烧结相对密度随烧结温度升高、保温时间延长而提高。1150℃时,致密度随保温时间延长提高得较为缓慢, 保温2h相对密度也只有58.5%；1250℃时,致密化过程明显加快，保温2h相对密度可达86.7%。

表3：不同烧结条件下的相对密度

3.4显微组织与力学性能

        表4： 不同烧结条件下注射纯钛的力学性能

a 1250℃，1h，×500              b 1250℃，2h， ×500

图4 拉伸试样断口形貌

4结论

1)溶剂脱脂过程中，粘结剂脱除率随着温度上升和时间延长而提高。当脱脂温度70℃、5小时后，脱脂率基本保持不变，达到74.2%。

2)热脱脂过程中，低温阶段升温速率低，保温时间长，高温阶段可提高升温速率，减少保温时间，在600℃保温1h后，脱脂率达97%。

3)烧结阶段，温度升高，保温时间延长，使烧结件致密度提高。1250℃保温2h后相对密度达86.7%,抗拉强度385MPa ,伸长率4.8%,除少量不规则孔隙外,残余孔隙趋于圆形,减少了微裂纹等缺陷出现，获得较好的力学性能。

参考文献

       [1]     杨冠军.钛合金研究和加工技术的新进展[J]. 钛工业进展.2001（3）

       [2]     熊运昌,杨萍,丁文伟.金属粉末注射成型技术及应用[J].新技术新工艺.2003(3)

       [3]     喻岚.注射成形钛合金的研究:[D].长沙:中南大学，2004

       [4]     郭世柏,张厚安,张荣发,何新波,秦明礼,曲选辉. 热处理对粉末注射成形钛合金的组织与性能的影响[J] 北京科技大学学报. 2007.29(7)

       [5]     王瑞锋,吴运新,邹欣,唐传安.注射成形纯钛脱粘和烧结工艺研究[J] 粉末冶金技术.2006.24(2)