1、2023年6月上 世界有色金属 121前沿技术Leading-edge technologyTA15金属粉末注射成形技术的研究吴海荣1，魏敬浩2，李庆棠1，陈刚2，刘宝昌1（1.北京新风航天装备有限公司，北京 1 0 0 8 5 4；2.北京科技大学，北京 1 0 0 0 8 3）摘 要：金属粉末注射成形是一种成熟的近净成形技术，在批量生产中该技术具有高效低成本的生产特点。本文以金属粉末注射成形所得的T A 1 5 高温钛合金样品为研究对象，研究了可以用于稳定生产的T A 1 5 钛合金粉末注射成形工艺。研究表明，本文所用工艺制得样品的致密度为9 8.6%，样品的组织形貌具有典型的魏氏体特征，
2、元素分布均匀，室温下抗拉强度为1 0 7 7 MP a，屈服强度为1 0 2 0 MP a，延伸率为7.5%，具有良好的韧性，可以满足生产航天航空承力结构件的静力学技术指标。关键词：T A 1 5 高温钛合金；微观组织；力学性能中图分类号：T F 1 2 4 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 1-0 1 2 1-3Research on TA15 Metal Powder Injection Molding TechnologyWUHai-rong1,WEIJing-hao2,LIQing-tang1,CHENGang2,LIUBao-chang1(
3、1.B e i j i n g X i n f e n g A e r o s p a c e E q u i p me n t C o.,L t d,B e i j i n g 1 0 0 8 5 4,C h i n a;2.Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g,B e i j i n g 1 0 0 0 8 3,C h i n a)Abstract:Me t a l p o w d e r i n j e c t i o n mo l d i n g i s a ma t u
4、 r e n e a r n e t f o r mi n g t e c h n o l o g y t h a t h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f h i g h e f f i c i e n c y a n d l o w c o s t i n ma s s p r o d u c t i o n.T h i s a r t i c l e f o c u s e s o n t h e T A 1 5 h i g h-t e mp e r a t u r e t i t a n i u m a l l o y s a mp
5、 l e s o b t a i n e d b y me t a l p o w d e r i n j e c t i o n mo l d i n g,a n d s t u d i e s t h e T A 1 5 t i t a n i u m a l l o y p o w d e r i n j e c t i o n mo l d i n g p r o c e s s t h a t c a n b e u s e d f o r s t a b l e p r o d u c t i o n.T h e r e s e a r c h s h o w s t h a t
6、t h e d e n s i t y o f t h e s a mp l e p r e p a r e d b y t h e p r o c e s s u s e d i n t h i s p a p e r i s 9 8.6%,t h e mi c r o s t r u c t u r e o f t h e s a mp l e h a s t y p i c a l Wi d ma n s t a t t e n c h a r a c t e r i s t i c s,t h e e l e me n t d i s t r i b u t i o n i s u n
7、 i f o r m,t h e t e n s i l e s t r e n g t h a t r o o m t e mp e r a t u r e i s 1 0 7 7 MP a,t h e y i e l d s t r e n g t h i s 1 0 2 0 MP a,a n d t h e e l o n g a t i o n i s 7.5%,w h i c h h a s g o o d t o u g h n e s s,a n d c a n me e t t h e S t a t i c s t e c h n i c a l i n d i c a t
8、o r s o f t h e p r o d u c t i o n o f a e r o s p a c e l o a d-b e a r i n g s t r u c t u r a l p a r t s.Keywords:T A 1 5 h i g h-t e mp e r a t u r e t i t a n i u m a l l o y;Mi c r o s t r u c t u r e;me c h a n i c a l p r o p e r t y收稿日期：2 0 2 3-0 3作者简介：吴海荣，男，生于1 9 9 7 年，汉族，江苏靖江人，硕士，助理工程师，
9、研究方向：先进制造。金属粉末注射成形（MIM）是一项先进的近净成形技术。其流程如图1所示，将原料粉末与有机粘结剂混合均匀，以粘结剂为流动载体在注射成形机上实现冲模成形，再将成形坯中的粘结剂脱除，经高温烧结得到最终的产品。该技术无需机加工，就可直接制备出最终形状的产品，材料利用率极高且能实现连续自动化生产，在复杂精密部件的低成本批量化制备方面具有独特的优势，被誉为“当今最热门的零部件成形技术”1。相较于精密铸造，粉末注射成形具有成形精度高、生产效率高、成本低等特点，成本降低50%以上，生产效率提高10倍以上2。钛合金具有较高的比强度以及优异的抗疲劳性能，在航天航空领域得到了广泛的应用3。能够采用
10、MIM工艺制造小尺寸、复杂精细钛合金零件，也使得MIM工艺受到越来越广泛的关注。Sidambe等人4使用氧含量为0.14%的等离子雾化球形钛粉，通过MIM工艺制备了氧含量、伸长率和抗拉强度分别为0.2wt%、20%和470MPa的钛部件，符合ASTM标准对2级商用纯钛的要求。Ferri等人5采用MIM工艺制备了Ti6Al4V样品，其组织形貌呈现典型的魏氏体层状结构，通过工艺参数调控可以获得高达800MPa的拉伸强度和15%的伸长率，可以满足航空航天行业的部分应用需求。Ti10V2Fe3Al是一种强韧的，且具有优异高疲劳寿命的近钛合金，常被用于航空承力结构件6。Sagra等人7使用混合元素粉末，
11、通过MIM工艺以及后续的固溶、时效处理制备了Ti10V2Fe3Al制备了超弹性部件，其致密度达到97%、拉伸强度为1050Mpa、延伸率为5.0%，达到该材料锻造工艺性能的80%，有望通过热等静压等工艺进一步提高。图1粉末注射成形工艺示意图TA15是一种近钛合金，在退火状态下，其相含量很少，约为5%7%。这使得TA15即使产生了共析分解，也不致使物理力学性能急剧恶化，故而具有很好的热稳定性8。TA15同时具有较好的综合力学性能，可用于航空航世界有色金属2023年6月上122前沿技术Leading-edge technology天领域工作温度较高、受力情况复杂的重要结构零件的制造。现有研究表明采
12、用MIM技术制备钛合金结构件是可行的，但目前尚未有MIM技术制备TA15样品相关研究报道。本项目拟通过研究TA15金属粉末注射成形过程精密控制原理等科学问题，突破粘结剂设计及杂质控制、组织性能精确调控等关键技术。通过对注射成形TA15钛合金样品的组织形貌、力学性能测试，优化粉末注射成形精密控制工艺，调控粉末注射成形制品的组织与性能，突破注射成形钛合金的产业化关键技术，实现注射成形TA15典型产品在航空航天领域的应用。1 研究方法1.1 制备方法在本研究中，使用TA15球形预合金粉末（D10=8.29m，D50=14.07m，D90=23.21m，江 苏 金 物 新 材 料 有限公司，中国）作为
13、原料。粉末中的杂质含量包括，O：0.18wt%；C：0.018wt%，成分检测结果如表1所示。本研究采用石蜡基粘结剂体系，混合喂料体系中粉末装载量均为63%，首先称量出2kg TA15金属粉末，并根据配比称量出所需粘结剂，然后将粘结剂与粉末进行初步混合10min，然后加入捏合机中，捏合温度约为160，捏合两小时观察喂料的状态，直至喂料均匀无气孔。将喂料冷却后放入破碎机中造粒，最终获得注射浆料。图2TA15粉末2000X电镜照片图3TA15粉末EDS面扫照片表1TA15预合金粉末元素检出结果元素(Wt/%)COSiAlVMoZrTiTA150.0180.180.016.221.671.371.9
14、587.89本研究采用震雄120吨注射机进行注射，完成注射后的样品坯件首先采用38的三氯乙烯溶剂脱脂48h，而后进入热脱脂烧结的过程。根据坯件溶剂脱脂后的热失重曲线进行热脱脂，脱脂完毕后将坯体于烧结炉中1300保温2小时并随炉冷却。1.2 测试方法本研究使用密度天平，通过阿基米德水浸法测量样品密度。本研究使用拉伸试验机测试材料的力学性能，拉伸试样尺寸如图49所示，试样总长度为90mm、平行中体长度为38mm、直径为5.0mm。采用6.610-4/S的应变速率对拉伸试样进行拉伸测试，实测样品如图5所示。为了观察表征材料微观组织形貌以及元素分布情况，对金相样品进行研磨、抛光，并用Kroller试剂
15、（2vol%HF、4vol%HNO3水溶液）进行腐蚀，最后采用电子显微镜观察了腐蚀后金相样品的微观结构、能谱分析仪表征了合金主要元素（Ti、V、O、Al、Zr、Mo）的面扫分布情况。图4MIM拉伸试样的几何形状9图5TA15拉伸试样2023年6月上 世界有色金属 123前沿技术Leading-edge technology1张驰杨长辉陈元芳.金属(陶瓷)粉末注射成形技术及应用J.现代制造工程,2003,(10):55-57.2张弛，徐春.金属粉末注射成形技术M.化学工业出版社,2007.3王如波,王勇,顾涛.粉末注射成型技术的研究和应用J.橡塑技术与装备,2020,46(02):22-27.4
16、杨 天.新 型 金 属 材 料 加 工 及 成 型 技 术 分 析 J.化 纤 与 纺 织 技术,2022,51(11):47-49.5曾强.高强铸造Al-10.5Si-Zn-Mg合金的微观组织和力学性能研究D.华南理工大学,2021.6刘逸婷.热处理对激光快速成型TC4合金显微组织及力学性能的影响规律D.东北大学,2022.7田甲,张治民.镁合金箱体挤压件角部裂纹产生机理和防护J.热加工工艺,2014,43(09):143-144.8李兴无.TA15合金及其在飞机结构中的应用前景J.钛工业进展,2003,20(45):90-94.9崔松华.热处理对金属粉末注射成型AISI1010软磁材料晶粒尺寸的影响研究J.热加工工艺,2014,43(04):185-186.2 实验结果与分析2.1 物相显微组织在本文选取的工艺条件下，通过阿基米德水浸法测得的TA15样件密度为4.39g/cm3，根据TA15理论密度为4.45g/cm3，计算得到样品致密度为98.6%。对TA15样品进行金相组织表征，并观察其显微组织，如图6所示。由于经历了1300时长为2小时的高温烧结，以及低冷却速率的随炉降温，样
