鈦合金流動溫壓成形工藝及模具設(shè)計(jì)

目錄1緒論 11.1研究的目的和意義 11.1.1傳統(tǒng)工藝的應(yīng)用及將要采用的方法 11.1.2金屬注射成形(MlM) 21.1.3激光成形技術(shù) 21.1.4溫壓成形技術(shù) 31.1.5溫壓工藝的技術(shù)特點(diǎn)： 41.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 51.2.1溫壓工藝的形成和發(fā)展 51.2.2產(chǎn)業(yè)化發(fā)展 71.3小結(jié) 82鈦合金性能研究 82.1鈦及鈦合金定義、分類、特點(diǎn)及應(yīng)用 82.1.1定義 82.1.2分類 82.1.3應(yīng)用 92.1.4鈦合金的特點(diǎn) 102.2鈦合金的品種和性能 102.2.1一些常用鈦合金牌號 102.2.2鈦合金的優(yōu)缺點(diǎn) 102.2.3鈦合金的組織和性能 113工藝設(shè)計(jì) 123.1工藝流程總體分析 123.1.1工藝的核心技術(shù) 123.1.2鈦粉 123.1.3潤滑劑 143.1.4溫壓溫度和壓力的選擇 153.1.5溫壓過程的致密化 163.1.6模具加熱裝置： 183.2其它粉末冶金工藝分析 193.2.1粉末冶金制品的基本生產(chǎn)工藝 193.2.2傳統(tǒng)粉末冶金工藝 193.2.4粉末鍛造 213.2.5溫壓工藝 213.3工藝流程設(shè)計(jì) 233.3.1工藝流程擬訂 233.3.2工藝說明 243.4工藝的優(yōu)點(diǎn) 274模具的設(shè)計(jì) 274.1零件總體結(jié)構(gòu)分析 274.2壓力機(jī) 274.3余量和公差 294.4型腔的確定 294.4.1模具尺寸放大率的計(jì)算 294.4.2確定壓坯尺寸和公差 314.4.3模具線膨脹計(jì)算 314.4.4頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 334.5模具裝配圖極其零件設(shè)計(jì) 334.5.1模具裝配圖設(shè)計(jì) 334.5.2重要模具零件材料選擇 344.5.3下模 354.5.4上模 365總結(jié) 38參考文獻(xiàn) 39致謝 411緒論鈦及鈦合金由于密度低、比強(qiáng)度高、屈強(qiáng)比高、良好的塑韌性、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在軍工、民用等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，其性能及制造技術(shù)水平直接影響到這些領(lǐng)域的發(fā)展和水平的提高[1]。擴(kuò)大鈦合金市場的瓶頸是鈦的提取、熔煉、機(jī)加工很難，從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本高。鈦錠的生產(chǎn)成本約為同重鋼錠的3O倍、鋁錠的6倍，其中從礦石到鎂還原制取海綿鈦的成本約為制取同重鐵的2O倍[2]。目前，每噸工業(yè)純鈦的成本約為7．5～10$／kg，而航空航天用鈦合金的生產(chǎn)成本更是高達(dá)4O$／kg。降低成本主要是降低工業(yè)純鈦生產(chǎn)成本和鈦及鈦合金的制造加工成本[3]。為了降低鈦合金的成本，國外大力發(fā)展鈦合金無切削、少切削的近凈形工藝。1.1研究的目的和意義1.1.1傳統(tǒng)工藝的應(yīng)用及將要采用的方法制造鈦合金部件目前主要有3種方法：①傳統(tǒng)的鍛造材料加工；②鑄造；⑧粉末冶金。用鍛造進(jìn)行材料加工，其材料性能優(yōu)良，但浪費(fèi)大，加工量大，成本高，且難獲得形狀復(fù)雜的產(chǎn)品；鑄造可獲得形狀復(fù)雜的凈形或近凈形產(chǎn)品，成本較低，但鑄造過程中材料的成分偏析、疏松、縮孔等缺陷難以避免，材料性能較低[4]。鈦合金的粉末冶金技術(shù)則克服了這2種方法的缺點(diǎn)，同時(shí)兼有它們的優(yōu)點(diǎn)。因而國內(nèi)外科研者在粉末冶金技術(shù)制備鈦合金上開展了很多工作。用\o"粉末冶金"粉末冶金方法制成的金屬鈦和鈦合金。鈦的化學(xué)活性大，易受氣體和坩堝材料等的污染，因此高質(zhì)量鈦粉末主要是在真空或高純惰性氣體保護(hù)下采用離心霧化制粉工藝來生產(chǎn)[5]。制品的成形一般不加粘結(jié)劑，坯料必須在真空中燒結(jié)。20世紀(jì)40年代末，首先開展了以海綿鈦粉末為原料的壓制燒結(jié)工藝的研究。但該工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品性能尚不能滿足航空部門的要求，主要用于制造化工、輕工、冶金、海洋開發(fā)等部門所需的耐蝕、過濾等零件。其中獲得工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的第一種產(chǎn)品是鈦多孔過濾材料。60年代中期，開始發(fā)展以旋轉(zhuǎn)電極法制取鈦的預(yù)合金粉末和熱等靜壓致密化的工藝。用此工藝生產(chǎn)的制品的靜態(tài)力學(xué)性能與熔煉加工制品相當(dāng)，但顯著地減少了切削加工，提高了材料的利用率，開始用于航空工業(yè)中。至70年代末，鈦粉末冶金制品在耐蝕和航空方面的應(yīng)用獲得較快的發(fā)展。中國70年代初開始進(jìn)行鈦粉末冶金工藝及制品的研究，鈦金屬閥門、軸套、多孔管和板、鈦－碳化鈦耐磨材料以及鈦鉬耐蝕合金等均已工業(yè)生產(chǎn)。70年代末期，開展了離心霧化制取高質(zhì)量鈦合金粉末及熱等靜壓成形工藝的研究。1.1.2金屬注射成形(MlM)金屬粉末注射成形(MIM)技術(shù)作為一種近凈成形技術(shù)，可制備高質(zhì)量、高精度的復(fù)雜零件，被認(rèn)為是目前最有優(yōu)勢的成形技術(shù)之一。用MIM法制造鈦及鈦合金近凈形零件，可大幅降低加工費(fèi)用。據(jù)估計(jì)，目前全世界鈦的MIM部件的生產(chǎn)量為每月3～5t[6]。隨著制備鈦粉工藝的改進(jìn)和粉末成本的降低，鈦合金注射成形件的生產(chǎn)量呈增長趨勢。日本最早采用MIM技術(shù)生產(chǎn)一種鈦合金運(yùn)動夾板?，F(xiàn)在最大的鈦粉末注射成形的生產(chǎn)廠是日本Injex，每月生產(chǎn)約2～3t。鈦的MIM產(chǎn)品已在高爾夫球頭、自動汽車、醫(yī)療器械、牙科植入體及表殼表帶等方面獲得應(yīng)用。日本HitachiMetalPrecision公司和Casio計(jì)算機(jī)公司制作的鈦合金表殼在1999年國際粉末冶金會議上獲得MIM優(yōu)勝獎，此表在水深200m仍能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。1997年日本太平洋金屬有限公司采用住友Sitix氣霧法制得的球形鈦粉，平均粒徑23．8m，采用4O聚丙烯+6O石蠟粘結(jié)劑，經(jīng)1443K燒結(jié)1．5h得到MIM鈦材[7]。日本一些大學(xué)采用住友Sitix氣霧化球形鈦粉，由MIM法制取了Ti-6Al-4V、Ti-12Mo、Ti-5Co合金等。材料性能均優(yōu)于同等條件下用常規(guī)粉末冶金工藝所制得的材料性能，完全達(dá)到了相同成分的熔煉鍛造材料的水平。此外，日本一家公司用注射成形法制造形狀復(fù)雜的鈦鐵合金零件，如田徑跑鞋的鞋底釘子。該方法將鈦鐵合金粉末和有機(jī)粘結(jié)劑混合，以196MPa的壓力注射成形，在550℃脫脂后，再在1000-1400℃，1．33×1OPa條件下進(jìn)行真空燒結(jié)。這樣制成的鈦鐵合金鞋釘與鉬合金鞋釘相比，耐磨性和耐沖擊性均提高。且重量減輕45%。汽車噴油嘴形狀復(fù)雜，尺寸小，用注射成形技術(shù)(MIM)研制的Ti和Al金屬間化合物和Ti-6A1-4V、Ti-5A1-2．5Sn合金噴油嘴，具有耐高溫、耐磨損、質(zhì)量輕等優(yōu)良性能，其尺寸精度也達(dá)到了使用要求。1.1.3激光成形技術(shù)激光成形法是一種將高功率激光涂覆技術(shù)同先進(jìn)的快速原型復(fù)制法相結(jié)合以直接制造復(fù)雜三維零部件的激光定向金屬沉積加工工藝。激光成形工藝具有高精密、高質(zhì)量、非接觸性、潔凈無污染、無噪音、材料消耗少、參數(shù)精密控制和高度自動化等特性，可以制造充分致密和高度完整的金屬零部件而不需要像鑄造、熱等靜壓或低熔點(diǎn)合金的反滲透這樣一些中間工藝步驟，因此特別適合于金屬化合物等脆性合金的成形與加工。美國AeroMet公司開發(fā)的激光成形工藝，是把鈦合金粉沉積到基體上預(yù)先成形，再加工成精密件。該公司用激光成形技術(shù)生產(chǎn)的F-22飛機(jī)支架、F／A-18E／F飛機(jī)機(jī)翼連接板的翼根加強(qiáng)筋，以及起落連桿件3種部件可滿足飛機(jī)性能的要求。他們用的材料都是Ti-6A1-4Y合金。用鑄造和鍛造技術(shù)制造這些飛機(jī)零部件的材料利用率低于5，交貨時(shí)間長達(dá)1～2年。利用激光成形法則可以克服這些缺點(diǎn)。目前已用該技術(shù)制造出了Ti-6A1-4V、Ti-5A1-2．5Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0．1Si和Ti-6A1-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo-025Si等合金。最近，美國坩堝公司利用大功率CO的激光設(shè)備，將氣霧化法制備的Ti-47Al-2Cr-2Nb合金粉末喂入激光束聚焦點(diǎn)，通過計(jì)算機(jī)三維圖形控制制備了尺寸為200×150×32mm的r-TiAl合金板材。利用激光成形技術(shù)，板的成分與原始粉末的成分相近，在制造過程中不會失去鋁和吸收氧氣。產(chǎn)品的顯微組織為完全的片狀組織，片團(tuán)大小為18O～600um(平均尺寸為400um)，片間距約為0.5um。激光成形法制備的Ti-6A1-4V合金的力學(xué)性能、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)作為激光成形技術(shù)中發(fā)展最迅速的技術(shù)之一，目前得到了廣泛的發(fā)展。它原則上適合于任何可以與激光發(fā)生相互作用的粉末材料，尤其是金屬粉末。日本大阪大學(xué)采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制備醫(yī)用鈦牙冠件，取得了很好的效果。它是以Nd：YAG激光器為能量源(平均功率為50W)，原材料為球形鈦粉。粗鈦粉激光燒結(jié)件的相對密度為84%，抗拉強(qiáng)度為70MPa。而細(xì)小的球形鈦粉(粒度為25um)的激光燒結(jié)件，其相對密度達(dá)到93%．抗拉強(qiáng)度是150MPa。1.1.4溫壓成形技術(shù)溫壓成形技術(shù)是近幾年新發(fā)展起來的一次壓制、一次燒結(jié)工藝，是制造高密度、高性能粉末冶金結(jié)構(gòu)零件的一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)可行的新技術(shù)。它是在混合物中添加新型潤滑劑，然后將粉末和模具加熱至15O。C左右進(jìn)行壓制，最后采用傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝進(jìn)行燒結(jié)，是普通模壓技術(shù)的發(fā)展與延伸，被國際粉末冶金界譽(yù)為“開創(chuàng)鐵基粉末冶金零部件應(yīng)用新紀(jì)元”和“導(dǎo)致粉末冶金技術(shù)革命”的新成形技術(shù)[8]。最近德國Fraunhofer研究所在溫壓成形技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)了一種被稱為流動溫壓工藝的粉末冶金新技術(shù)。該技術(shù)以溫壓工藝為基礎(chǔ)，結(jié)合金屬注射成形的優(yōu)點(diǎn)，通過加入適量的微細(xì)粉末和加大潤滑劑的含量大大提高了混合粉末的流動性、填充性和成形性。流動溫壓成形技術(shù)原則上可適合所有具有足夠好的燒結(jié)性能的粉末體系[9]。其主要特點(diǎn)是可成形幾何形狀復(fù)雜的零部件；產(chǎn)品密度高、性能均勻；工藝簡單、成本低廉。1.1.5溫壓工藝的技術(shù)特點(diǎn)：能以較低的成本制造出高性能的鐵基粉末冶金零部件。由于與普通的模壓相比較，粉末及模具僅加熱到150℃左右，故可在普通粉末壓機(jī)上添加加熱系統(tǒng)就可改造為溫壓機(jī)，所需投入并不大。而且采用溫壓工藝生產(chǎn)的生坯強(qiáng)度高，又可直接進(jìn)行附加的機(jī)加工，而壓制壓力和脫模壓力均能較低，故模具壽命高，可大大降低成本，是一種不復(fù)雜但效益高的新技術(shù)。提高零部件生坯密度。通過溫壓技術(shù)的使用，能使鐵基粉末冶金零部件的生坯密度達(dá)到7.25～7.45g/cm3，與傳統(tǒng)工藝相比提高了0.15～0.3g/cm3[10]。溫壓工藝被譽(yù)為“開創(chuàng)粉末冶金零件應(yīng)用新紀(jì)元的一項(xiàng)新型制造技術(shù)”，其關(guān)鍵在于以較低的成本制造出高性能的鐵基P/M零件，為轎車用零部件在性能與成本之間找到了一個較佳的結(jié)合點(diǎn)。據(jù)資料分析，雖然溫壓工藝比常規(guī)一次壓制燒結(jié)工藝的相對成分提高了20％，但比浸銅工藝，復(fù)壓復(fù)燒工藝，粉末熱鍛工藝分別降低20%,30%和80%。除此以外，溫壓工藝還具有自身獨(dú)特技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：1）壓坯密度和燒結(jié)密度高。采用溫壓工藝，通?？色@得7.25～7.60g/cm3的鐵基P/M零件。在同一壓制壓力下，比一次壓制燒結(jié)工藝的密度提高0.15～0.30g/cm3。相應(yīng)的，獲得相同密度所需的壓制壓力降低140MPAa左右，這為較低噸位粉末壓機(jī)壓制大尺寸中密度鐵基P/M零件創(chuàng)造了條件，相對地增大了壓機(jī)的噸位。2）壓坯強(qiáng)度高。在相同密度水平下，經(jīng)溫壓的壓坯，其強(qiáng)度是常規(guī)壓制壓坯的1.25～2.0倍。這一特點(diǎn)為粉末冶金工藝制造形狀復(fù)雜的機(jī)械零件提供了方便，也提高了粉末冶金技術(shù)與其它零件制造競爭的能力。一方面，普通壓制燒結(jié)工藝由于其壓坯強(qiáng)度低，在脫模過程中很容易導(dǎo)致形狀復(fù)雜壓坯的破壞，從而無法成形。然而，溫壓工藝克服了這一缺點(diǎn)。另一方面根據(jù)粉末冶金技術(shù)和壓機(jī)工作特點(diǎn)，垂直于壓制方向的P/M零件側(cè)面形狀特征是不可能成形的，如橫向孔等。采用溫壓工藝后，由于壓坯強(qiáng)度高，可在燒結(jié)工序之前直接對壓坯進(jìn)行機(jī)加工，節(jié)約機(jī)加工工時(shí)和提高刀具的使用壽命。3）脫模壓力低。溫壓工藝的脫模壓力比普通壓制工藝降低30％以上。低的脫模壓力意味著溫壓工藝易于壓制形狀復(fù)雜的鐵基P/M零件和減少模具磨損從而延長其使用壽命。同時(shí)，還可以降低粉末料中潤滑劑的添加量，進(jìn)一步提高壓坯密度。因?yàn)?，潤滑劑每降?.1％，壓坯密度將增加0.05g/cm3。4）彈性后效小。燒結(jié)后零件尺寸變化比普通壓制要低得多，如DistaloyAE基材粉末經(jīng)溫壓后的燒結(jié)收縮接近于零，易于獲得高尺寸精度的鐵基P/M零件。5、當(dāng)零件密度、材質(zhì)相同時(shí)，采用溫壓工藝制得的材料極限抗拉強(qiáng)度比復(fù)壓復(fù)燒工藝所制得的材料提高10％左右，而疲勞強(qiáng)度提高了10～40％。特別是，零件經(jīng)溫壓、燒結(jié)后進(jìn)行適度的復(fù)壓，其疲勞性能與粉末熱鍛件相當(dāng)。這些力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)到了轎車發(fā)動機(jī)，傳動及剎車裝置的使用性能的要求，可望為連桿的制造提供一條可行的技術(shù)途徑。6）壓坯密度分布均勻。采用溫壓工藝制備齒輪類零件時(shí)齒部與根部間的密度差比常規(guī)壓制工藝低0.1～0.2g/cm3。1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1溫壓工藝的形成和發(fā)展粉末鍛造技術(shù)1968年在美國出現(xiàn)，由于粉末鍛造機(jī)械零件具有材料利用率高，力學(xué)性能好，鍛件尺寸精度高和質(zhì)量準(zhǔn)確，大規(guī)模制造生產(chǎn)可顯著降低成本等優(yōu)點(diǎn)。在許多國家掀起開發(fā)粉末鍛造零件，材料與工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)熱潮[11]。八十年代末，Hoeganaes公司的Musella等人在本公司的ANCORBOND工藝即擴(kuò)散粘結(jié)鐵粉制備工藝的研究基礎(chǔ)上開發(fā)出一種所謂溫壓（WarmCompaction）的新工藝，即ANCORDENSE工藝，并于1990年取得了第一項(xiàng)采用一次壓制燒結(jié)工藝制備高密度鐵基P/M零件的美國專利[12]。通常，模具和粉末原料均需加熱，即模具溫度為150℃，粉末原料溫度為130℃[13]。經(jīng)溫壓后，P/M零件的密度增幅為0.15～0.30g/cm3。1992年，Hoeganaes公司的Rutz和Luk又獲得一項(xiàng)美國專利，他們的研究成果標(biāo)志著溫壓技術(shù)邁向了實(shí)用階段。在1994年、1995年、1996年國際粉末冶金學(xué)術(shù)年會上發(fā)表了近20篇有關(guān)溫壓技術(shù)的論文。如瑞典和美國的Hoeganaes公司，加拿大魁北克金屬粉末有限公司等都較系統(tǒng)地開展了有關(guān)溫壓技術(shù)的研究。已制備出極限拉伸強(qiáng)度達(dá)1500MPa的燒結(jié)態(tài)鐵基P/M零件。在溫壓過程中，溫度的升高使粉末的流動性大幅度下降，為實(shí)現(xiàn)壓制過程自動化，開展了新型高分子聚合物作為潤滑劑的研究，并取得了兩項(xiàng)專利。與此同時(shí)，Hoeganaes公司與德國的Linde公司、美國的辛辛那提公司密切合作，研制出溫壓加熱裝置，并得了專利。目前，瑞典Hoeganaes公司，美國Hoeganaes公司和賓夕法尼亞Pressedmetals公司，瑞士SinterwerkeAG公司，加拿大魁北克金屬粉末有限公司，臺灣保來得公司等已建立二十多條溫壓生產(chǎn)線，并能制造出30余種密度在7.25～7.60g/cm3的高密度鐵基P/M零件，如電動工具用螺旋齒輪，轎車剎車定位螺母等。Ford汽車公司已將重達(dá)1.2kg的溫壓流體變速渦輪轂用在發(fā)動機(jī)上，僅此一件就大幅度的提高了鐵基P/M零件在汽車上的應(yīng)用水平。據(jù)美國粉末工業(yè)聯(lián)合會執(zhí)行主席White稱，到1996年底，美國轎車中鐵基P/M和應(yīng)用水平已達(dá)到13.6kg/輛。Ford公司的目標(biāo)是到2000年轎車中P/M零件的應(yīng)用水平將達(dá)到22.7kg/輛，這在很大程度上得益于溫壓工藝的出現(xiàn)。Hoeganaes公司也因在溫壓工藝方面的開創(chuàng)性成就而榮獲1996年度MPR最高榮譽(yù)獎。而粉末冶金溫壓工藝技術(shù)在我國起步較晚，除揚(yáng)州保來得粉末冶金公司和寧波東睦粉末冶金公司已從境外引進(jìn)溫壓工藝生產(chǎn)線外，還沒有系統(tǒng)地開展對溫壓工藝的研究。1995年，北京科技大學(xué)和武鋼合作開展了采用溫壓工藝制備高密度粉末冶金磁性材料的研究，現(xiàn)已取得有價(jià)值的階段性成果。中南工大粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室早在1995年就成立了溫壓工藝研究小組，其目標(biāo)是開發(fā)出符合國情的溫壓工藝及溫壓加熱裝備。正在開發(fā)的溫壓用粉末原料的工藝性能與Hoeganaes公司和魁北克金屬粉末有限公司的原料接近。并且國內(nèi)部分公司與研究所在鈦合金溫壓工藝方面取得的進(jìn)展也得到國家的支持與獎勵[14]。流動溫壓工藝是德國Fraunhofer研究所在溫壓成形技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)了一種被稱為流動溫壓工藝的粉末冶金新技術(shù)。該技術(shù)以溫壓工藝為基礎(chǔ)，結(jié)合金屬注射成形的優(yōu)點(diǎn)，通過加入適量的微細(xì)粉末和加大潤滑劑的含量大大提高了混合粉末的流動性、填充性和成形性。流動溫壓成形技術(shù)原則上可適合所有具有足夠好的燒結(jié)性能的粉末體系。其主要特點(diǎn)是可成形幾何形狀復(fù)雜的零部件；產(chǎn)品密度高、性能均勻；工藝簡單、成本低廉。1.2.2產(chǎn)業(yè)化發(fā)展1）強(qiáng)力發(fā)掘市場需求高密度，高強(qiáng)度粉末冶金燒結(jié)鋼零件的市場需求是溫壓技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的源動力。長期以來，中、低密度粉末冶金零件的市場已趨于飽和，其零件較低的強(qiáng)度性能對粉末冶金燒結(jié)鋼的市場聲譽(yù)有一定的負(fù)面影響。特別是應(yīng)用粉末冶金產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員，往往對高強(qiáng)度、高密度存有疑慮。因此，市場開發(fā)人員應(yīng)當(dāng)真正了解溫壓產(chǎn)品的優(yōu)異性能，以具體的技術(shù)數(shù)據(jù)，及國內(nèi)外生產(chǎn)的主要產(chǎn)品如鏈輪、齒輪的經(jīng)驗(yàn)，作好開發(fā)工作。任何一個企業(yè)，如果在實(shí)際上沒有強(qiáng)力發(fā)掘市場需求的能力，在計(jì)劃時(shí)代還可能生存；那么在面臨加入WTO后嚴(yán)酷的競爭形勢面前，只能“坐以待（關(guān)）閉”。2）選擇正確的結(jié)合部溫壓技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化即國產(chǎn)化，只有充分結(jié)合我國產(chǎn)業(yè)的實(shí)際情況進(jìn)行開發(fā)，才能可能獲得較大的進(jìn)展。從國民經(jīng)濟(jì)的全局看，粉末冶金行業(yè)是一個小產(chǎn)業(yè)，它的發(fā)展必須也只能依附于國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。轎車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃曾經(jīng)給粉末冶金的發(fā)展規(guī)劃帶來某種刺激?，F(xiàn)在看來，真正把降低幾十公斤零件成本而采用粉末冶金產(chǎn)品這件事看得很重的發(fā)動機(jī)主機(jī)廠為數(shù)并不多。因此，高密度溫壓粉末零件的一大出路應(yīng)當(dāng)著眼于配件市場。只要高密度溫壓冶金零件的質(zhì)量過硬，擁有了用戶，就一定會促進(jìn)主機(jī)市場的開發(fā)，這就是市場的結(jié)合部問題。其次是，溫壓技術(shù)與粉末冶金廠家本身的結(jié)合問題。沒有引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的粉末冶金廠家占多數(shù)，資金的投向一定是非“待閉”企業(yè)，因而是可持續(xù)發(fā)展或有可能持續(xù)發(fā)展的粉末冶金廠，溫壓技術(shù)必然會轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力。3）市場經(jīng)濟(jì)條件下的“研究—企業(yè)集合”體國外溫壓技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化大致用了5年左右的時(shí)間。與其它先進(jìn)技術(shù)相比，溫壓技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的速度是快的。其中一條成功的經(jīng)驗(yàn)是，該技術(shù)從一開始就是以“研究—企業(yè)集合”的面貌出現(xiàn)的。粉末冶金工藝人員、壓機(jī)制造商、化工、化學(xué)研究人員，組成一個集合體來突破技術(shù)的各個環(huán)節(jié)。在這方面行業(yè)協(xié)會或?qū)W會應(yīng)當(dāng)發(fā)揮更大的作用。中國熱模網(wǎng)首發(fā)溫壓技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的根本出路在于，真正理解和掌握溫壓—燒結(jié)工藝系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，在有可能持續(xù)發(fā)展的骨干粉末冶金企業(yè)的牽頭和帶動下，組成一個各方均可受益的粉末、制件、壓機(jī)、化工廠商和研究團(tuán)體的“研究—企業(yè)集合”體，以典型的溫壓系列產(chǎn)品開拓鋼鐵粉末內(nèi)冶金高密度、高強(qiáng)度零件的新市場[15]。1.3小結(jié)鈦合金的高成本限制了其更廣泛的推廣和應(yīng)用，綜合上述幾種粉末冶金新技術(shù)，粉末冶金技術(shù)在制備鈦合金方面具有材料利用率高、能耗低、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，從而降低了成本，且是生產(chǎn)某些形狀復(fù)雜零件的唯一方法。同時(shí)高質(zhì)量、低成本鈦粉末的利用使鈦粉末冶金產(chǎn)品獲得了較好的發(fā)展，諸如鈦?zhàn)⑸涑尚巍⒓す獬尚蔚确勰┮苯甬a(chǎn)品已在民用工業(yè)中有了明顯的增長。我們相信注射成形、激光成形、溫壓成形等粉末冶金技術(shù)將會更加廣泛地推動鈦粉末冶金工業(yè)的發(fā)展。對鈦合金流動溫壓工藝進(jìn)行研究并將其應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，將大大降低鈦合金成型難度和生產(chǎn)消耗，從而大大降低其生產(chǎn)成本，使鈦合金得到更廣泛的應(yīng)用。因此，研究鈦合金的流動溫壓成型有著極其重要的意義。2鈦合金性能研究2.1鈦及鈦合金定義、分類、特點(diǎn)及應(yīng)用2.1.1定義以鈦為基加入其他合金元素組成的合金稱作鈦合金。鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好、工藝性能好等優(yōu)點(diǎn),是較為理想的航天工程結(jié)構(gòu)材料。2.1.2分類鈦合金可分為結(jié)構(gòu)鈦合金和耐熱鈦合金,或α型鈦合金、β型鈦合金和α＋β型鈦合金。研究范圍還包括鈦合金的成形技術(shù)、粉末冶金技術(shù)、快速凝固技術(shù)、鈦合金的軍用和民用等。①α合金含一定量的穩(wěn)定α相的元素，平衡狀態(tài)下主要由α相組成。α合金比重小，熱強(qiáng)性好、具有良好的焊接性和優(yōu)異的耐蝕性,缺點(diǎn)是室溫強(qiáng)度低,通常用作耐熱材料和耐蝕材料。α合金通常又可分為全α合金（TA7）、近α合金(Ti-8Al-1Mo-1V)和有少量化合物的α合金(Ti-2.5Cu)。②(α+β)合金含一定量的穩(wěn)定α相和β相的元素，平衡狀態(tài)下合金的組織為α相和β相。(α＋β)合金有中等強(qiáng)度、并可熱處理強(qiáng)化，但焊接性能較差。(α＋β)合金應(yīng)用廣泛,其中Ti-6Al-4V合金的產(chǎn)量在全部鈦材中占一半以上。③β合金含大量穩(wěn)定β相的元素，可將高溫β相全部保留到室溫。β合金通常又可分為可熱處理β合金（亞穩(wěn)定β合金和近亞穩(wěn)定β合金）和熱穩(wěn)定β合金?？蔁崽幚恙潞辖鹪诖慊馉顟B(tài)下有優(yōu)異的塑性，并能通過時(shí)效處理使抗拉強(qiáng)度達(dá)到130～140kgf/mm2。β合金通常作高強(qiáng)度高韌性材料使用。鈦合金按組織可分三類.(1鈦中加入鋁和錫元素.2鈦中加入鋁鉻鉬釩等合金元素.3鈦中加入鋁和釩等元素.)鈦合金具有強(qiáng)度高而密度又小,機(jī)械性能好,韌性和抗蝕性能很好.另外:鈦合金的工藝性能差,切削加工困難.在熱加工中,非常容易吸收氫氧氮碳等雜質(zhì).還有抗磨性差,生產(chǎn)工藝復(fù)雜.鈦合金按用途可分為耐熱合金、高強(qiáng)合金、耐蝕合金（鈦-鉬，鈦-鈀合金等）、低溫合金以及特殊功能合金（鈦-鐵貯氫材料和鈦-鎳記憶合金）等。2.1.3應(yīng)用鈦合金是一種新型結(jié)構(gòu)材料，它具有優(yōu)異的綜合性能，如密度?。?.5g/cm-3），比強(qiáng)度和比斷裂韌性高，疲勞強(qiáng)度和抗裂紋擴(kuò)展能力好，低溫韌性良好，抗蝕性能優(yōu)異，某些鈦合金的最高工作溫度為550oC，預(yù)期可達(dá)700oC。因此它在航空、航天、化工、造船等工業(yè)部門獲得日益廣泛的應(yīng)用，發(fā)展迅猛。鈦合金主要用于制作飛機(jī)發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。60年代中期，鈦及其合金已在一般工業(yè)中應(yīng)用，用于制作電解工業(yè)的電極，發(fā)電站的冷凝器，石油精煉和海水淡化的加熱器以及環(huán)境污染控制裝置等。鈦及其合金已成為一種耐蝕結(jié)構(gòu)材料。此外還用于生產(chǎn)貯氫材料和形狀記憶合金等。輕合金、鋼等的（σ0.2/密度）與溫度的關(guān)系，鈦合金的比強(qiáng)高于其他輕金屬、鋼和鎳合金，并且這一優(yōu)勢可以保持到500oC左右，因此某些鈦合金適于制造燃?xì)廨啓C(jī)部件。鈦產(chǎn)量中約80%用于航空和宇航工業(yè)。例如美國的B-1轟炸機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)材料中，鈦合金約占21%，主要用于制造機(jī)身、機(jī)翼、蒙皮和承力構(gòu)件。F-15戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)材料，鈦合金用量達(dá)7000kg，約占結(jié)構(gòu)重量的34%。波音757客機(jī)的結(jié)構(gòu)件，鈦合金約占5%，用量達(dá)3640kg。麥克唐納道格拉斯（Mc-Donnell-Dounlas）公司生產(chǎn)的DC10飛機(jī)，鈦合金用量達(dá)5500kg，占結(jié)構(gòu)重量的10%以上。在化學(xué)和一般工程領(lǐng)域的鈦用量：美國約占其產(chǎn)量的15%，歐洲約占40%。由于鈦及其合金的優(yōu)異抗蝕性能，良好的力學(xué)性能，以及合格的組織相容性，使它用于制作假體裝置等生物材料。2.1.4鈦合金的特點(diǎn)鈦金屬的密度較小，為4.5g/cm3，僅為鐵的60%，通常與鋁、鎂等被稱為輕金屬，其相應(yīng)的鈦合金、鋁合金、鎂合金則稱為輕合金。世界上許多國家都認(rèn)識到鈦合金材料的重要性，相繼對鈦合金材料進(jìn)行研究開發(fā)，并且得到了實(shí)際應(yīng)用。鈦合金因具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高、易焊接等特點(diǎn)而被廣泛用于各個領(lǐng)域，尤其是強(qiáng)度高、易焊接性能有利于高爾夫桿頭的制造。2.2鈦合金的品種和性能2.2.1一些常用鈦合金牌號第一個實(shí)用的鈦合金是1954年美國研制成功的Ti-6Al（鋁）-4V（礬）合金。Ti-6Al-4V合金在耐熱性、強(qiáng)度、塑性、韌性、成形性、可焊性、耐蝕性和生物相容性方面均達(dá)到較好水平。Ti-6Al-4V合金使用量已占全部鈦合金的75~85%。許多其它合金可以看作是Ti-6Al-4V合金的改型。以鈦為基加入其他元素組成的合金。鈦的工業(yè)化生產(chǎn)是1948年開始的。航空工業(yè)發(fā)展的需要，使鈦工業(yè)以平均每年約8％的增長速度發(fā)展。目前世界鈦合金加工材年產(chǎn)量已達(dá)4萬余噸,鈦合金牌號近30種。使用最廣泛的鈦合金是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工業(yè)純鈦（TA1、TA2和TA3）。目前，世界上已研制出的鈦合金有數(shù)百種，最著名的合金有二十至三十種，例如，有Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-2Al-2.5Zr、Ti-32Mo、Ti-Mo-Ni、Ti-Pd、Ti-811、Ti-6242、Ti-1023、Ti-10-5-3、Ti-1100、BT9、BT20、IMI829、IMI834等；用于球桿制造的有10-2-3,SP700,15-3-3-3（通常所說的β鈦）,22-4,DAT51。中國于1956年開始鈦和鈦合金研究；60年代中期開始鈦材的工業(yè)化生產(chǎn)并研制成TB2合金。2.2.2鈦合金的優(yōu)缺點(diǎn)鈦合金與其他金屬材料相比,有下列優(yōu)點(diǎn):①比強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度／密度）高（見圖）,抗拉強(qiáng)度可達(dá)100～140kgf/mm2，而密度僅為鋼的60％。②中溫強(qiáng)度好,使用溫度比鋁合金高幾百度，在中等溫度下仍能保持所要求的強(qiáng)度,可在450～500℃的溫度下長期工作。③耐蝕性好,在大氣中鈦表面立即形成一層均勻致密的氧化膜，有抵抗多種介質(zhì)侵蝕的能力。通常鈦在氧化性和中性介質(zhì)中具有良好的耐蝕性，在海水、濕氯氣和氯化物溶液中的耐蝕性能更為優(yōu)異。但在還原性介質(zhì)，如鹽酸等溶液中，鈦的耐蝕性能較差。④低溫性能好,間隙元素極低的鈦合金,如TA7,在-253℃下還能保持一定的塑性。⑤彈性模量低,熱導(dǎo)率小，無鐵磁性。鈦合金的缺點(diǎn)是成型困難，不切削加工困難2.2.3鈦合金的組織和性能鈦有兩種同質(zhì)異晶體:882℃以下為密排六方結(jié)構(gòu)α鈦，882℃以上為體心立方的β鈦。合金元素根據(jù)它們對相變溫度的影響可分為三類:①穩(wěn)定α相、提高相轉(zhuǎn)變溫度的元素為α穩(wěn)定元素,有鋁、碳、氧和氮等。其中鋁是鈦合金主要合金元素，它對提高合金的常溫和高溫強(qiáng)度、降低比重、增加彈性模量有明顯效果。②穩(wěn)定β相、降低相變溫度的元素為β穩(wěn)定元素，又可分同晶型和共析型二種。前者有鉬、鈮、釩等；后者有鉻、錳、銅、鐵、硅等。氧、氮、碳和氫是鈦合金的主要雜質(zhì)。氧和氮在α相中有較大的溶解度,對鈦合金有顯著強(qiáng)化效果,但卻使塑性下降。通常規(guī)定鈦中氧和氮的含量分別在0.15～0.2％和0.04～0.05％以下。氫在α相中溶解度很小,鈦合金中溶解過多的氫會產(chǎn)生氫化物，使合金變脆。通常鈦合金中氫含量控制在0.015％以下。氫在鈦中的溶解是可逆的，可以用真空退火除去。熱處理鈦合金通過調(diào)整熱處理工藝可以獲得不同的相組成和組織。一般認(rèn)為細(xì)小等軸組織具有較好的塑性、熱穩(wěn)定性和疲勞強(qiáng)度；針狀組織具有較高的持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度和斷裂韌性；等軸和針狀混合組織具有較好的綜合性能。常用的熱處理方法有退火、固溶和時(shí)效處理。退火是為了消除內(nèi)應(yīng)力、提高塑性和組織穩(wěn)定性，以獲得較好的綜合性能。通常α合金和（α＋β）合金退火溫度選在（α＋β）─→β相轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下120～200℃；固溶和時(shí)效處理是從高溫區(qū)快冷,以得到馬氏體α′相和亞穩(wěn)定的β相,然后在中溫區(qū)保溫使這些亞穩(wěn)定相分解，得到α相或化合物等細(xì)小彌散的第二相質(zhì)點(diǎn)，達(dá)到使合金強(qiáng)化的目的。通常(α＋β)合金的淬火在(α＋β)→β相轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下40～100℃進(jìn)行，亞穩(wěn)定β合金淬火在(α＋β)→β相轉(zhuǎn)變點(diǎn)以上40～80℃進(jìn)行。時(shí)效處理溫度一般為450～550℃。此外,為了滿足工件的特殊要求，工業(yè)上還采用雙重退火、等溫退火、β熱處理、形變熱處理等金屬熱處理工藝。3工藝設(shè)計(jì)3.1工藝流程總體分析3.1.1工藝的核心技術(shù)流動溫壓工藝是一門新發(fā)展起來的新技術(shù)，是粉末冶金技術(shù)的發(fā)展。該技術(shù)以溫壓工藝為基礎(chǔ)，結(jié)合金屬注射成形的優(yōu)點(diǎn)，通過加入適量的微細(xì)粉末和加大潤滑劑的含量大大提高了混合粉末的流動性、填充性和成形性。因此，流動溫壓工藝與溫壓工藝的主要區(qū)別是流動溫壓工藝所加的潤滑劑較多，潤滑流動效果好，成形性好?？梢?，解決潤滑的選擇與添加問題是流動溫壓工藝的核心技術(shù)問題。另外，粉末顆粒度大小于顆粒的外形，壓制溫度和壓力等對材料的流動性和成型性也起著決定性的作用，而致密程度影響著壓制零件的力學(xué)性能和質(zhì)量準(zhǔn)確性。溫壓是在一定的溫度下進(jìn)行壓制的，普通模具鋼會在因溫度升高而產(chǎn)生退火，降低硬度，因此選擇合適的模具材料關(guān)系著整個模具的壽命。合適的加熱裝置是控制整個加熱系統(tǒng)的關(guān)鍵，合適裝置不僅能很好加熱并控制，同時(shí)也降低了模具的成本。因此流動溫壓工藝的核心技術(shù)可以歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：1、粉末的制備2、新型潤滑劑的選擇和使用3、壓制溫度和壓力的選擇4、致密化機(jī)理5、加熱裝置3.3工藝流程設(shè)計(jì)3.3.1工藝流程擬訂根據(jù)工藝分析并參考其它粉末冶金成型工藝，本流動溫壓工藝應(yīng)又以下幾個流程組成。流程圖如下：鈦合金預(yù)制粉末鈦合金預(yù)制粉末黏結(jié)劑混練均勻加熱至150℃在150℃左右壓制成型保壓30分鐘左右真空或氣體保護(hù)燒結(jié)成品溶劑或高溫脫粘任選后處理作業(yè)組裝熱處理切削加工鍍腹噴丸矯正表面處理圖3.5鈦合金流動溫壓生產(chǎn)工藝流程本工藝流程和金屬注射成型工藝流程相似，都是以一定比例的黏結(jié)劑和金屬合金粉末均勻混合，然后再加熱使黏結(jié)劑融化，形成熔融的黏流體，在壓力機(jī)的壓力下進(jìn)行變形，蔓延流動填充模具型腔進(jìn)行成型。到氬氣保護(hù)中進(jìn)行高溫脫粘，再放到真空爐中進(jìn)行保護(hù)燒結(jié)，最后進(jìn)行必要的后繼處理。處理完后的產(chǎn)品就是所需要的成品。3.3.2工藝說明首先根據(jù)TiC4即Ti-6Al-4V的主要成分（Al：5.5-6.75%，V：3.5-4.5%，F(xiàn)e：≤0.30%，O：≤0.20%，C：≤0.08%，N：≤0.05%，H：≤0.015%，其它0.4%），將0～27%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的ＨＤＨＴｉ粉和氣霧化Ｔｉ粉混合,而后按10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))加入Ａｌ-Ｖ粉混勻組成混合粉,或直接采用預(yù)合金化的Ｔｉ-6Ａｌ-4Ｖ粉。將這些粉與5%～8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的粘結(jié)劑混練，混練均勻后加入到模具型腔中進(jìn)行加熱，待溫度達(dá)到150度左右時(shí)保溫3-5min后進(jìn)行壓制。成形后,成形坯先在溶劑中萃出脫粘,而后在真空中,于Ａｒ氣流中與713℃4模具的設(shè)計(jì)4.1零件總體結(jié)構(gòu)分析零件為一薄壁零件，含有肋和輻板，其外形和尺寸如圖1：零件尺寸不大，壁薄，中間還有加強(qiáng)筋。采用粉末溫壓可以解決零件無切除的情況在制造加強(qiáng)筋。跟等溫鍛造相比，制造工藝簡單，成型快，制造出的零件在力學(xué)性能和使用性能上都相差不大，合適利用溫壓工藝進(jìn)行壓制。零件底面成梯形，面積最大，應(yīng)選為模具的分型面，將加強(qiáng)筋放在下模壓制，可以將壓制的零件留在下模，再通過頂出機(jī)構(gòu)將零件頂出模腔。本團(tuán)隊(duì)全部是在讀機(jī)械類研究生，熟練掌握專業(yè)知識，精通各類機(jī)械設(shè)計(jì)，服務(wù)質(zhì)量優(yōu)秀?？扇梯o導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計(jì)，知識可貴，帶給你的不只是一份設(shè)計(jì)，更是一種能力。聯(lián)系方式：QQ712070844，請看QQ資料。5總結(jié)本課題在溫壓、等溫鍛造、注射成型等傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上研究發(fā)展了鈦合金的流動溫壓工藝。本工藝集成了其它傳統(tǒng)工藝的優(yōu)點(diǎn)，是對鈦合金粉末成型的一種創(chuàng)新性研究，使得鈦合金成型技術(shù)有了進(jìn)一步的研究和發(fā)展。流動溫壓技術(shù)兼有溫壓技術(shù)和金屬注射成形技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),既克服了傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)在成形方面的不足,又避免了注射成形技術(shù)的高成本。由于微細(xì)粉末的加入和較多的潤滑劑含量而使混合粉末在溫壓時(shí)轉(zhuǎn)變成一種具有良好流動性和充填能力的黏流體,從而可以直接成形零件的復(fù)雜幾何形狀如側(cè)凹、螺紋孔等而不需要其后的二次機(jī)加工,具有很大的應(yīng)用潛力。本流動溫壓工藝具有如下一些優(yōu)點(diǎn)：1）模具設(shè)計(jì)簡單。鈦合金粉末流動溫壓工藝在模具上，使用了閉式等溫鍛造模具的設(shè)計(jì)形式，使得模具設(shè)計(jì)變得簡單。2）模具使用壽命高，成本低。將模具工作降低到粉末溫壓工藝模具的使用溫度，使得模具的耐高溫要求大大降低，從而降低了模具的材料強(qiáng)度要求，延長了模具的使用壽命的同時(shí)大大降低了生產(chǎn)成本。3）粉末流動性大，成型容易。在黏結(jié)劑上，使用了注射成型的黏結(jié)劑和潤滑，并加大劑的添加量，粉末中也大量添加了微細(xì)的粉末，很大程度上增加了成型粉末的流動特性，從而實(shí)現(xiàn)了更好的成型速度和成型效果。流動溫壓工藝在粉末成型上的發(fā)展和應(yīng)用，將大大降低了很多難加工材料的成型難度和成本。本工藝用于難成型的鈦合金和一些復(fù)合材料的成型，使許多不能成型的材料能夠成型。并且在很大程度上能實(shí)現(xiàn)材料的凈成型，實(shí)現(xiàn)了無切削成型，在成型上節(jié)約了大量的材料，這對于象鈦合金一類的昂貴材料來說有著重大的意義，將有很大的市場發(fā)展前景。參考文獻(xiàn)[1]中國浙江網(wǎng)上技術(shù)市場.粉末冶金鈦合金新技術(shù)./information/facade.action?op=detail&id=1000[2]維客.粉末冶金鈦合金./wiki/%E7%B2%89%E6%9C%AB%E5%86%B6%E9%87%91%E9%92%9B%E5%90%88%E9%87%91[3]機(jī)械專家網(wǎng).粉末冶金溫壓技術(shù)的發(fā)展（二）./jxbk/news_detail.asp?id=5222007-02-02[4]J.D.阿列克山大.宇航材料的鍛造和性能.北京：國防工業(yè)出版社，1985[5]中國粉末冶金網(wǎng).高性能粉末冶金制品溫壓工藝./11_4692.html2007-1-16[6]L.A.Rosales,K.Ono,L.A.LeeandA.W.Sommer.TiST(1973)P1801[7]中鐵