粉末冶金钛合金的形性一体化调控关键技术及应用

科技成果来源：漯河科技成果库;
地区：河南-漯河;
科技成果名称：粉末冶金钛合金的形性一体化调控关键技术及应用
技术领域：新材料
成果所有人：河南颍川新材料股份有限公司
成果简介：钛合金被称为“第四代金属材料”，但机加能力差，导致材料有效利用率低、零部件生产成本高，应用严重受限。粉末冶金将粉体一次烧结成形制品，提升钛材利用率从传统的15%到80%以上，是低成本制造的一个重要方向。粉末烧结钛制品的性能和形状调控是应用基础，然而，由于钛自扩散系数低、对氧杂质高度敏感及烧结变形大的本征特性，现有烧结形性调控理论难以有效指导钛合金，至今仍存在如下瓶颈问题：（1）自扩散系数低导致高致密化烧结难。现有引入高含量烧结助剂的方法虽能提升烧结致密度，却以破坏组织结构为代价，高致密化与组织调控的矛盾极为显著；（2）固溶导致塑性差。钛粉表面富集的氧化膜溶解到钛中的速率快且量大，现有引入活性金属来吸除氧的反应均发生在氧溶解之后，受逆扩散制约，效率低；（3）体高匀质化难。现有预合金粉均匀性好，但不可压制烧结，元素混合粉压制烧结能力佳，但均匀化难，缺乏兼具良好压制烧结性和匀质化的粉体复合技术。因而，烧结密度低、塑性差及制品形状难控已成为国际公认难题。我国是钛资源大国，当前面临资源转型升级的重大机遇，探明阻碍粉末烧结钛合金应用的基础问题，发展粉末烧结近净成形技术是面临的重大任务。 瞄准上述问题，项目组以“反应烧结强化形性调控”的学术思想为指导，从烧结致密化机制和抑氧固溶机理入手，提出“反应诱发液相形成”的高致密化烧结新机制和“氧溶解前原位反应吸除”的抑氧固溶新机理，据此发展烧结助剂和除氧剂包覆钛粉的高匀质化粉体设计理念来强化液相形成能力和除氧效率，构建出反应烧结强化形性一体化调控理论和技术，历经十余年形成了上游粉体高匀质化制备和下游粉末烧结近净成形制造全链条的研发体系，取得如下主要创新成果和技术发明： (1）发明了钛合金高致密化烧结新技术：提出了“反应诱发液相形成”的高烧结致密化机制，调和了液相形成与组织结构破坏之间的内在矛盾，开发出Ni-B、Ni-Si、Cu-Si、Fe-Si等一系列新型、高效烧结辅助剂，实现了不改变组织的同时烧结密度从传统的96%提升至99%以上，解决了钛合金难烧结的问题。被空客顾问评价为粉末冶金钛合金应用提供了一个全新前景。 (2）发明了高效除氧新技术：定量描述了氧化膜结构、内扩散效应与温度的响应关系，提出了“氧溶解前原位反应吸除”的抑氧固溶新机理，构建了的抑氧固溶新路径，开发出NdB6、LaB6、CeSi2等新型高效除氧剂，形成高效除氧新方法，烧结钛合金塑性提升50%以上。该技术被借鉴应用到钛的多个先进制造领域，具有普适性，起到了引领作用。 (3）发明了粉体流化床高匀质化制备新方法和放大新技术：发展了“颗粒表面包覆烧结助剂和除氧剂”来强化液相形成能力和吸氧效率的新策略，提出了“颗粒表面沉积”与“流态化颗粒学”相融合的新制备原理，创制了烧结助剂和除氧剂包覆钛的新型“壳核”结构高匀质化粉体，兼具高致密化、除氧和均匀收缩等多重功能，构建了钛合金烧结控性控形一体化制造的理论和技术，并发明了匀质化粉体生产放大技术，推动了钛合金的工程化应用，并将该理论和技术拓展到高速钢等多种难烧结材料，成功实现工业应用。 该项目发明的粉体匀质化强化反应烧结形性一体化调控的新技术，在济南新艺粉末冶金有限公司、河南颍川新材料、青岛海源实业有限公司、中国航空制造技术研究院、河南豫中新材料、株洲硬质合金等行业知名企业实现工业应用。近三年累计新增产值3.89亿元。 该项目成果在Carbon、Scripta Materialia、Additive Manufacturing、Metallurgy Materials Transection A、Journal of American Ceramic Society等知名期刊发表SCI论文23篇，受邀为Elsevier出版的国际首部“Titanium Powder Metallurgy”专著撰写2章节。授权技术发明专利12件，在重要国际学术会议上主题报告或邀请报告8次。该项目相关成果被国际上有重要影响力的粉末冶金网站(http://www.ipmd.net）feature research专栏中给予专题评论，评价高致密化烧结为钛合金的粉末冶金提供了一个完全不同的前景，刺激钛粉末冶金被通用工程领域所应用。发表在Mater. Sci. Eng. A (2019,740-741:148）的文章，入选Most Cited Articles，并在该期刊统计出的自2019年来引用率最高的22篇文章中排名第4，前3名均是综述类文章，在非综述类文章中排名第1，并被中科院院士C.T.Liu，英国皇家工程院院士P.D.Lee等众多业界知名专家在Science、Nature Communications等国际著名期刊上重点引用评述。
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