鈦及鈦合金材料具有密度小、比強度高、熱膨脹系數(shù)小、耐腐蝕性好、相容性高、易焊接的優(yōu)勢特征，在航空航天、化工、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，鈦合金由于導(dǎo)熱系數(shù)低、摩擦系數(shù)高等特點，使其不具備較強切削性能，內(nèi)螺紋難以加工成型，導(dǎo)致鈦合金被列為難加工材料之一。近年來，隨著鈦合金材料的應(yīng)用范圍與規(guī)模不斷擴張，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢料也相應(yīng)增加，鍛件材料利用率與鑄造利用率較低。因此，高效、低成本的鈦合金加工技術(shù)已重視程度有所提高，成為當前機械加工研究重點。

1、鈦合金合成材料基本概述

1.1 鈦合金分類

考慮到鈦合金材料具有多晶型性，基于退火狀態(tài)組成差異，可以將鈦合金材料分為 α 型、β 型以及 α+β。但在實際機械加工過程中，尤其在熱機械工藝處理下，會出現(xiàn)非平衡微觀結(jié)構(gòu)。參考β 穩(wěn)定元素含量與 β相區(qū)淬火鈦合金材料的相組成，可分為五大類 [1]，類型特征見表 1。

1.2 鈦合金微觀組織結(jié)構(gòu)與性能特證

鈦合金的微觀組織通過熱加工處理，會產(chǎn)生相應(yīng)變化，這為鈦合金微觀組織結(jié)構(gòu)調(diào)控性奠定良好基礎(chǔ)。基于鈦合金材料微觀組織形態(tài)的差異化表現(xiàn)，可分為四種常見結(jié)構(gòu)類型：等軸結(jié)構(gòu)、雙態(tài)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)籃結(jié)構(gòu)以及魏氏結(jié)構(gòu)。同時，研究人員通過研究不同結(jié)構(gòu)鈦合金材料的機械性能，發(fā)現(xiàn)不同制造工藝獲得鈦合金材料的機械性能存在不同成效。

2、鈦合金制備加工工藝

2.1 鑄造法

精密鑄造工藝能夠達到復(fù)雜薄壁鈦合金鑄件的生產(chǎn)標準，應(yīng)用范圍主要針對生產(chǎn)質(zhì)量要求較高的航空零件。

金屬型重力鑄造是使用冷凝殼或真空電弧熔煉將鈦合金倒入可重復(fù)使用的近凈成形模具中。這種方法可以細化鈦合金微觀結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，消除硬化層，同時使零件具有更好穩(wěn)定性。然而，由于在鑄造過程中金屬模具的快速冷卻，容易產(chǎn)生收縮腔級孔隙率，形成鑄造缺陷；離心鑄造是將熔融金屬倒入模具中，然后通過模型旋轉(zhuǎn)離心力，將模具填充并固化。該方法使液態(tài)金屬在模具中形成空心的殼體，在沒有型芯的情況下獲得空心鑄件，從而簡化套筒及其他零件的制備過程 [2-3]。

2.2 鍛造法

鍛造法是鈦合金零件主流加工方法之一，結(jié)合塑性變形的溫度區(qū)間，可以將鍛造法細分為傳統(tǒng)鍛造、近β鍛造以及 β鍛造，如圖 1 所示。

鍛造可以有效提高鈦合金的組織均勻性和力學(xué)性能。

同時，鈦合金內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)與性能變化對熱參數(shù)非常敏感。因此，鍛造溫度有所局限，由于鈦合金導(dǎo)熱性一般，變形容易引起溫度不均而產(chǎn)生裂紋問題，影響生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)成本 [4]。

2.3 粉末冶金法

粉末冶金法類屬于近凈成形法，能夠有效控制鈦合金材料的成分偏析，消除粗大樹枝狀組織，充分利用材料。

粉末冶金工藝包括熱等靜壓、注塑以及 SPS。粉末冶金基本無需切削金屬材料，額外增加機械加工，從而實現(xiàn)零件一次性成型，減少原材料浪費。作為粉末冶金的一種新的固結(jié)方法，SPS 可以實現(xiàn)鈦合金粉末的快速有效固結(jié)。例如，研究人員通過使用 SPS 制備出 TC4 鈦合金樣品，并將其在 900℃環(huán)境下放置 3min，生成精密 TC4胚料 [5]。

綜上所述，鑄造法能夠大大降低鈦合金材料的制備成本，便于生產(chǎn)形狀復(fù)雜的合金零件；鍛造法能夠完成材料改性，但生產(chǎn)成本相對較高，生產(chǎn)效率較低，材料浪費率較高；粉末冶金可以有效抑制合金的成分偏析，提高材料利用率。

3、真空熱壓燒結(jié)工藝先進性

3.1 真空熱壓性能對比

通過真空技術(shù)與專用設(shè)備的引入，能夠為鈦合金材料制備創(chuàng)造真空熱壓燒結(jié)的環(huán)境與工藝條件，有效控制材料在高溫環(huán)境下產(chǎn)生的強度損耗，有效提升胚料性能與強度，起到排除多余氣體與雜質(zhì)，強化燒結(jié)成效，提高鈦合金產(chǎn)品質(zhì)量。

鈦合金復(fù)合材料是骨架材料與金屬材料通過粉末冶金燒結(jié)出的材料，對胚料組織結(jié)構(gòu)進行分析可知，骨架材料與金屬材料在界面的作用下，將不同性能粉體進行結(jié)合而成。當液體金屬對骨架材料產(chǎn)生理想潤濕度后，即可產(chǎn)生較為牢固、穩(wěn)定的結(jié)合。但是，氣體與雜質(zhì)的侵入會直接降低兩種材料之間的潤濕力，影響實際結(jié)合強度。而在熱壓燒結(jié)環(huán)境下，氣體與雜質(zhì)將會使金屬在燒結(jié)程序中出現(xiàn)氧化的概率大幅增加，特別是當金屬粉末顆粒較小的情況下，氧化程度越高 [6]。

基于熱力學(xué)研究：當自由能逐漸減少時，固相與液相才會產(chǎn)生潤濕效果，而金屬與氧化物之間有較大的界面能，這表明液態(tài)金屬不能對氧化物產(chǎn)生較強的潤濕作用，利用熱壓鉆頭測試界面含氧量，結(jié)果表明，在熱壓燒結(jié)過程中，氧的存留形式為氧化膜與電離層，將會對燒結(jié)合金化產(chǎn)生不良影響。通過掃描非工作層胚料斷口處可以發(fā)現(xiàn)，熱壓胚料晶界結(jié)合效果較差，撕裂情況較突出。而真空熱壓燒結(jié)在排除氣體與有氧物的基礎(chǔ)上，使鈦合金材料具備胎體性能。觀測真空熱壓燒結(jié)試樣斷口發(fā)現(xiàn)，斷裂處細密、銀白，韌窩明顯，且空洞數(shù)量較少、尺寸較小。由此可知，通過真空熱壓燒結(jié)環(huán)境消除微光組織結(jié)構(gòu)中的缺陷，能夠有效改善鈦合金材料質(zhì)量與性能 [7]。

3.2 真空熱壓燒結(jié)工藝應(yīng)用領(lǐng)域

在當代合金材料領(lǐng)域中，粉末原料燒結(jié)的工業(yè)有兩種，分別是粉末冶金工業(yè)與特種陶瓷工業(yè)；燒結(jié)加工方法有兩種，分別是冷壓成型后燒結(jié)和熱壓燒結(jié)。測試結(jié)果表明：通過真空熱壓燒結(jié)能夠使鈦合金材料含氧量降低、減少雜質(zhì)與孔洞，實現(xiàn)核心材料綜合性能的提高。

因此，應(yīng)積極探尋真空熱壓燒結(jié)工藝的應(yīng)用領(lǐng)域，擴大應(yīng)用范圍。目前，可觀的市場應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾方面 [8]：

工具類：硬質(zhì)合金產(chǎn)品、陶瓷金屬、粉末鋼產(chǎn)品等。

電氣類：高溫磁材料、電接觸材料、軟磁、硬磁、鐵氧體、金屬電熱材料等。

特殊材料類：粉末高溫合金、氧化物彌散強化材料、高純耐熱金屬、金屬復(fù)合材料等

機械零件類：農(nóng)機、辦公機械、液壓零件、家用電器等領(lǐng)域，尤其是易損耐磨部件。

3.3 真空中頻熱壓連續(xù)燒結(jié)設(shè)備結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能強化機理

代表性 YZL-1 型真空中頻熱壓燒結(jié)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)示

意如圖 2 所示。設(shè)備處于封閉式真空狀態(tài)。

上托盤（13）提起工件（7），以（13）和密封板（17）之間形成密封環(huán)境，之后持續(xù)向上移動一定距離，以將工件（7）送入鐘罩（8）中，充氣閥（18）被充入鐘罩內(nèi)至大氣壓強。此時，油缸（16）（即油缸 D）提起鐘罩（8）。工件（7）已放置在大氣中。手動卸下工件后，可以更換新工件。油缸（16）降低鐘形罩以密封。兩級真空泵系統(tǒng)從管道（18）抽真空到鐘罩，直到塔盤（13）的上下壓力幾乎相等，當油缸（15）上塔盤（13）掉落后，工件（7）落到工位（6）上。工位（6）轉(zhuǎn)臺（5）每旋轉(zhuǎn) 60°是一個新的工位 [9]。旋轉(zhuǎn)工位狀況如圖 3 所示。

當工件（7）從 1 號工位轉(zhuǎn)移到 4 號工位時，工件到達感應(yīng)區(qū)域正下方的位置，之后工件被缸（3）的托盤（13）垂直提起，并被送至感應(yīng)圈（11）的圓柱形加熱區(qū)域中。

閉環(huán)系統(tǒng)自動控制壓力，實現(xiàn)了高精度、高質(zhì)量的真空熱壓燒結(jié)加工。工件完成燒結(jié)后，缸（3）的托盤（13）開始下降，并且工件落在轉(zhuǎn)臺的 4 號工作位置上。然后旋轉(zhuǎn) 60°轉(zhuǎn)向新工件。加熱后的工件被轉(zhuǎn)移到 5 號工位進行冷卻處理 [10]。

4、結(jié)語

利用真空燒結(jié)鈦合金復(fù)合材料產(chǎn)品，由于能夠通過在一定程度上節(jié)省模具、降低能耗，而平衡設(shè)備折舊成本與動力消耗，使得真空熱壓燒結(jié)工藝與一般鈦合金材料的制備成本幾乎一致。同時，受益于真空熱壓燒結(jié)工藝的優(yōu)勢特征，有效提高合金成品質(zhì)量。因此，可以說真空熱壓燒結(jié)工藝和設(shè)備在生產(chǎn)高質(zhì)量鈦合金材料方面具有可行性與實效性。

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