鈦粉末冶金技術(shù)，開始于本世紀(jì)50年代初期，但到70年代才有明顯的突破。此后，世界各發(fā)達國家都投入了較大的力量，研究此項技術(shù)，開發(fā)它的冶金產(chǎn)品，使其在許多工業(yè)領(lǐng)域獲得了較為廣泛的應(yīng)用。近年來，鈦產(chǎn)品在航空領(lǐng)域上，除高溫性能結(jié)構(gòu)件之外，正往高溫鈦合金發(fā)展；在非航空領(lǐng)域，鈦產(chǎn)品的需求也在不斷增加。日本Kobo鋼公司專家預(yù)計[1]世紀(jì)末，西方工業(yè)市場鈦在非航空工業(yè)上的應(yīng)用，將由目前鈦加工產(chǎn)品產(chǎn)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(yīng)用的發(fā)展中，各國根據(jù)其需求各有其側(cè)重。美國多用于軍事和航空工程，西歐各工業(yè)國家（主要是德國、英國和法國），致力于發(fā)展航空和部分民用鈦粉末冶金產(chǎn)品，特別是航空結(jié)構(gòu)件方面的技術(shù)和產(chǎn)品較多。日本已在大力開發(fā)鈦的民用產(chǎn)品，尤其是海洋、化工、能源等方面的鈦粉末冶金產(chǎn)品。俄羅斯在石油、化工、冶金諸領(lǐng)域的鈦粉末冶金產(chǎn)品的應(yīng)用也表現(xiàn)出了較高的水平。
在工業(yè)中普遍使用的結(jié)構(gòu)鈦合金有[2]: 工業(yè)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(jié)構(gòu)合金常根據(jù)實際需要采用與其相似的合金，而應(yīng)用較多的則是Ti-6 Al-4 V。現(xiàn)就粉末冶金鈦結(jié)構(gòu)合金產(chǎn)品的國外現(xiàn)狀以及應(yīng)用情況介紹并分析如下。
1．航空用粉末冶金鈦結(jié)構(gòu)合金產(chǎn)品
1.1航空用產(chǎn)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(chǎn)出大量的GET73渦輪噴氣發(fā)動機軸承座，隨后僅通過精整性的機械加工而成最終產(chǎn)品，其成本與用鍛造棒料經(jīng)機械加工成同樣的制品比較降低了25%～30% [3]。當(dāng)時，在美國飛機制造工業(yè)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(huán)和TF39發(fā)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(yù)成形毛坯，鍛造成燃氣輪葉片。美國核材料及設(shè)備公司采用預(yù)成形毛坯一鍛造—精制工藝制造了燃氣渦輪發(fā)動機的導(dǎo)葉和吊貨環(huán)[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(chǎn)F-14戰(zhàn)斗機的內(nèi)支撐桿（0.77kg）和發(fā)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(jù)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(yù)合金粉末（PA）Ti-6 Al-4 V熱等靜壓后鍛造，生產(chǎn)直升飛機葉片連桿接頭和空中公共汽車的連接臂，材料節(jié)省40%，僅采用HIP工藝就是成本降低25%，進一步選擇最佳工藝還可使成本減少至34%[5、6]。
1.2 航空用產(chǎn)品經(jīng)濟效益評價
一般而言，對于大型復(fù)雜部件，用粉末冶金制造比用鑄造法生產(chǎn)具有更大的吸引力[7]。據(jù)分析，按構(gòu)件的大小和復(fù)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(yù)合金粉和陶瓷模熱等靜壓法生產(chǎn)了機械性能與鑄造合金相當(dāng)?shù)膹?fù)雜形狀的葉輪，而其成本則降低了40%，其成本構(gòu)成主要分布在鍛造和機加工工序上。因此，如果對形狀復(fù)雜構(gòu)件采用更加接近的凈成型技術(shù)，其經(jīng)濟效益更為明顯。
美國坩堝材料公司生產(chǎn)F-18戰(zhàn)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(chǎn)規(guī)模[7]。規(guī)模生產(chǎn)時該構(gòu)件成本為常規(guī)方法的三分之一。很明顯，采用粉末冶金法生產(chǎn)大型復(fù)雜構(gòu)件可與常規(guī)工藝競爭，決定生產(chǎn)成本的主要因素是粉末成本、生產(chǎn)規(guī)模以及真正的接近凈成形。
1.3 航空用產(chǎn)品發(fā)展中的問題
在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的粉末冶金鈦合金航空結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)中，對于非疲勞應(yīng)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(chǎn)的部件，其性能（尤其是疲勞性能）已可與鑄造法生產(chǎn)的產(chǎn)品相比；對于復(fù)雜的大型部件其生產(chǎn)成本也較低，但其在航空領(lǐng)域中的應(yīng)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(yè)固有的保守性。因此，要想開拓PA產(chǎn)品的應(yīng)用，一方面必須堅持產(chǎn)品的低成本，另一方面應(yīng)使產(chǎn)品設(shè)計達到用戶所需的水平。同時還應(yīng)加大生產(chǎn)規(guī)模，采用更加接近凈成型的技術(shù)生產(chǎn)復(fù)雜構(gòu)件，并采用化學(xué)表面處理提高表面性能，或應(yīng)用噴丸處理來提高構(gòu)件的疲勞性能。
2汽車用粉末冶金鈦結(jié)構(gòu)合金產(chǎn)品
2.1 汽車用鈦部件
鈦的輕質(zhì)、高強早已為汽車制造商所注目。鈦在賽車上的應(yīng)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(fā)動機上使用鈦材，可減輕運轉(zhuǎn)部件的重量，提高其加速性能。在美國，已生產(chǎn)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。日本最初使用鈦材的汽車是“日產(chǎn)”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(yè)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(jù)報道，采用鈦合金作進排氣閥還可節(jié)省燃油2%[1]。現(xiàn)在這些閥已用于汽車的各類發(fā)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(chǎn)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(fā)動機重量最有效。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%；若考慮最大負荷應(yīng)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(shù)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(fā)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)，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(zhuǎn)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(zhì)高強鈦合金可以減少汽車發(fā)動機的噪音、沖擊和振動，提高燃油效率。因此，在鈦產(chǎn)品越來越趨向非航空市場時，它進入汽車行業(yè)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(fā)動機公司生產(chǎn)的超級負載型體育用車FZR 750R采用了鈦合金連桿，產(chǎn)品小型且有良好的平衡重心裝置，高速下可確保連續(xù)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(jīng)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(fā)動機的進、排氣閥。
2.2汽車用粉末冶金鈦結(jié)構(gòu)合金部件
上述的汽車用鈦合金結(jié)構(gòu)件均為鑄造或鍛造產(chǎn)品。據(jù)報道，前蘇聯(lián)在70年代就將鈦粉末冶金產(chǎn)品應(yīng)用于汽車發(fā)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(yù)計每生產(chǎn)鈦粉末熱鍛連桿10萬個，可節(jié)省16 450盧布。日本在1975年就采用燒結(jié)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(chǎn)出鈦的閥簧保持杯和連桿。采用該公司MR-9專利方法生產(chǎn)的Ti- 6AI-4V合金的閥簧保持杯，經(jīng)過冷壓、真空燒結(jié)，完全滿足機械性能要求（尤其是疲勞性能），重量由常規(guī)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(guī)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(jié)Ti- 6A1- 4V合金粉末連桿坯，然后由Honda R&D有限公司按其設(shè)計進行機械加工和檢驗，結(jié)果表明：MR-9工藝生產(chǎn)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(fù)拉壓，其持久強度分別為212MPa和254 MPa，材料利用率為80%，Honda公司估計最少可減輕33%的重量[11、12]。
2.3可能的發(fā)展
隨著鈦趨向于民用領(lǐng)域以及鈦的特性帶來汽車性能的顯著改善，鈦在汽車工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)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(fā)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(guān)心的問題。每1臺車只要使用1kg鈦部件，按目前汽車生產(chǎn)規(guī)模，鈦的用量是相當(dāng)可觀的。顯然，只要正確選擇汽車中零件，對產(chǎn)品進行優(yōu)化設(shè)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(shù)，并合理組織規(guī)模生產(chǎn)，將有可能是鈦合金結(jié)構(gòu)材料在普通汽車中獲得廣泛的應(yīng)用。
采用粉末冶金方法生產(chǎn)Ti3Al和TiAl金屬間化合物基鈦合金，可代替汽車發(fā)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(yīng)用
日本專家預(yù)測粉末冶金燒結(jié)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(fù)印機、印刷機部件等；在電子工業(yè)中的用途有：磁帶錄像機導(dǎo)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(yī)療機械中亦有應(yīng)用。在民用工業(yè)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(tǒng)的異型機件，螺母，閥環(huán)，筒支架等配件都已批量生產(chǎn)。近年來，日本十分注意開發(fā)鈦在體育用品、建筑、裝飾、家具、烹調(diào)器具等方面的應(yīng)用，其產(chǎn)品基本上鑄造和加工制品。很明然，對于更為看重經(jīng)效益的民用工業(yè)而言，鈦粉末冶金方法在中一部分產(chǎn)品上的應(yīng)用很具有吸引力。日本開發(fā)鈦自行車，包括鈦制車圈、車架、大梁、車頭、車把、導(dǎo)向環(huán)、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(dāng)大，高級賽車每輛售價達25～30萬日元。如，日本Mori工業(yè)公司和Shimano等公司試制一組稱為DURA-ACE的高級自行車零件，其中包括鏈輪曲軸裝置，飛輪導(dǎo)向裝置，腳蹬，導(dǎo)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(yīng)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(shù)和經(jīng)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(jié)構(gòu)合金的應(yīng)用有著極為廣闊的前景。