钛具有很强的活泼性， 与传统方法相比较， 钛的 快速凝固技术需要做一些改进， 如加设真空装置、惰 性气体保护装置等。可用于钛和钛合金的快速凝固技 术有： 惰性气体雾化法、旋转电极法、双活塞法、喷 射沉积法、激光表面重熔快速凝固法、超声雾化法、 锤 砧 法 、 单 辊 和 双 辊 快 速 凝 固 法 等［４］。 １．１ 钛合金激光表面重熔快速凝固
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铸造
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钛合金快速凝固技术及其研究现状
游 涛１， 袁小川２， 苏贵桥１， 张春辉１ （ １． 沈阳铸造研究所， 辽宁沈阳 １１００２２； ２． 山东省冶金地质水文勘察公司， 山东济南 ２５０１０１）
摘要： 将快速凝固技术应用于钛合金生产， 能极大地促进钛工业的发展。介绍了快速凝固技术的基本原理及目前应用
生产方法
处理条件
Ｒｐ０．２／ＭＰａ
工业纯钛 Ｒｍ／ＭＰａ
Ａ （ ％）
处理条件
Ｔｉ－６％Ａｌ－４％Ｖ
Ｒｐ０．２／ＭＰａ
Ｒｍ／ＭＰａ
Ａ （ ％）
铸锭冶金
６５０ ℃退火
１７０
２４０
２５
７００ ℃退火
９２５
９９０
１４
快速凝固 粉末固结后７００ ℃退火２ ｈ
３０７
４２５
２６．８
ＲＥＰ＋ＨＩＰ ６２５ ℃
１ ０８２
快 速 凝 固 是 指 通 过 对 合 金 熔 体 的 快 速 冷 却 （ １０３￣ １０６ Ｋ／ｓ） 或 非 均 质 形 核 被 抑 制 ， 使 合 金 在 很 大 的 过 冷 度下发生高生长速率 （ １￣１００ ｃｍ／ｓ） 的凝固［１］。快速非 平衡凝固通过控制凝固过程对平衡偏离的程度所产生 的非平衡效应， 不仅可以减小偏析、扩大亚稳固溶度、 细化组织、形成新的亚稳相， 还发展了非晶、准晶、 纳 米 晶 新 材 料［２］。 基 于 快 速 凝 固 材 料 这 些 特 殊 的 性 质 和 优点， 研究钛合金快速凝固技术就显得十分必要。
１ １３０
８ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
收稿日期： ２００６－ ０３－ ２７收到初稿， ２００７－ ０２－ ０６收到修订稿。 作者简介： 游涛 （ １９８１－） ， 男， 河北邯郸人， 硕士研究生， 从事钛合金材料及相关工艺研究。电话： ０２４－２５８５２３１１转２９８
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（ ２） 激光熔覆 激光熔覆是一种通过在基体材料 表 面添加熔覆材料， 利用激光束辐照加热， 使熔覆材料 及基体材料表面薄层发生熔化并快速凝固， 从而在基 体材料表面形成冶金熔合的高硬度耐磨熔覆层的工艺 方 法 ［８ －９］。 孙 荣 禄 在 ＴＣ４ 合 金 表 面 进 行 了 激 光 熔 覆 ＮｉＣｒＢＳｉ合 金 涂 层 的 试 验 ， 分 析 发 现 ， 熔 覆 区 中 “ 原 位”形成了ＴｉＢ２和ＴｉＣ等颗粒增强相； 激光熔覆层的显 微硬度由表及里呈阶梯状递减， 熔覆区的显微硬度ＨＶ ８００￣１ １００［１０］。 １．２ 雾化法制取钛及钛合金粉末
樊丁等［７］对 纯 钛ＴＡ２表 面 进 行 了 激 光 氮 气 合 金 化 。
图１ 激光气体表面合金化示意图 Ｆｉｇ． １ Ｔｈｅ ｄｉａｇｒａｍｍａｔｉｃ ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｇａｓ ａｌｌｏｙｉｎｇ
研 究 表 明 ： ＴＡ２经 激 光 气 体 氮 化 后 在 其 表 面 得 到 了 厚 度为１００ !ｍ、宏观质量良好的氮化层， 氮化层与基体 之间完全冶金结合。试样表层结构由氮化层、热影响 区和基体三部分组成， 氮化层是富钛结构， 由ＴｉＮ枝晶 和α＇－Ｔｉ构成， 热影响区组织以针状马氏体为 主。合金 层显微硬度最高可达ＨＶ５００。
１ 钛及钛合金的快速凝固技术
由于钛合金本身的限制， 加之国内外对钛合金研 究相对较晚， 其快速凝固技术的应用比其他合金较为 落后。但通过多年的研究探索， 许多国内外学者已成 功的将快速凝固技术应用于钛合金生产， 丰富了钛合
金的生产工艺， 改善了钛合金产品的性能。人们用多 种 快 速 凝 固 技 术 着 重 研 究 了Ｔｉ－６％Ａｌ－４％Ｖ的 性 能 。 表 １ 列 出 了 铸 锭 冶 金 和 快 速 凝 固 生 产 工 业 纯 钛 和 Ｔｉ－６％ Ａｌ－４％Ｖ的力学性能。由表可知， 快速凝固技术大大改 善 了 钛 及 钛 合 金 的 性 能［３］。 对 常 规 钛 及 钛 合 金 的 研 究 及 快 速 凝 固 有 如 下 作 用［３］。
（ １） 超声气体雾化法 超声 气体 雾 化 法 是 高 速 气 流以８０￣１００ ｋＨｚ的频率和２￣２．５马赫的高速度冲击液态 金属流， 使其雾化成小液滴， 随后凝固成粉末。其冷 却速率很容易达到１０３￣１０５ Ｋ／ｓ， 并且获得的粉末表面光 滑， 球化效果好， 尺寸非常细小。
陕西邦圳钛业发展有限公司开发了一种优质低氧 低成本的气体雾化制取球形钛与钛合金粉末的新工艺 （ 见图２） — ——无坩埚惰性气体雾化法［１５］， 即在熔化棒状 材料时不使用坩埚， 而是直接用高频感应线圈进行加 热使熔液滴流， 再将这种熔液流用高速的氩气喷射产 生粉末。由于原料的连续供应和连续熔炼， 及特殊结 构的喷嘴， 实现了长距离雾化， 可以连续生产。专门 设计的Ａｒ气净化 回收系统， 可使Ａｒ气循 环 使 用２８０ ｈ， 大大降低了生 产成本。日本住友Ｓｉｔｉｘ公 司研究了与邦 圳钛业相似的感应熔融气体雾化 （ ＩＰＡ） 法， 他们采用 高速的氮气喷射熔液产生粉末。研究人员把这种粉末 称为低氧钛粉末 （ ＴＩＬＯＰ） ， 粉末呈球形， 其断面呈现 出急冷凝固组织， 平均粒径约为７０ "ｍ。
激光表面重熔快速凝固是迄今为止能实现凝固冷 却速度最快的快速凝固方法之一。它主要是利用激光 的高能束对材料进行快速加热， 并利用基体材料的激 冷作用达到快速凝固。
对金属材料进行激光表面熔化， 可以直接获得具 有快速凝固组织特征和特殊物理化学及力学性能的表 层材料， 还可以在激光材料表面快速熔化过程中灵活 地向熔池 中加入合金元素 （ 激光 表面合金化） 或 直 接 熔化预置或同步输送于零件表面的合金粉末 （ 激光熔 覆） 并快速 凝固， 从而获得成分 、组织及性 能 完 全 不 同于零件基材， 具有均匀的快速凝固非平衡组织特征 的特种表面冶金涂层材料［５］。目前， 应用于钛合金的激 光快速凝固技术主要有： 激光气体合金化， 激光熔覆。
（ ２） 改善合金组织 试 验 过 程 中 发 现 ， 快 速 凝 固 的Ｔｉ－６％Ａｌ－４％Ｖ合金经高温退火后， 片状α聚集体发生 等轴化， 这种组织形态上的变化将大大改善合金的低 周疲劳性能。
（ ３） 减少或消除偏析改 善 力 学 性 能 目 前 快 速 凝 固技术在钛合金的主要应用是： ①利用激光技术进行 材料表面改性及合金化； ②利用快速凝固技术制取合 金粉末； ③利用快速凝固技术制取低维合金； ④利用 喷射成形技术制备大尺寸快凝材料及复合材料。
（ ２） 功率超声雾化法 超声 雾化 法 是 利 用 超 声 能 量使流体形成微细雾滴， 处于振动体表面的薄层液体
铸造
游涛等： 钛合金快速凝固技术及其研究现状
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１． 阀门 ２． Ａｒ气缓冲罐 ３． 过滤器 ４． 气体压缩机 ５． 高压气体汇流排 ６． 加热电源 ７． 连续送料器 ８． 感应线圈 ９． 喷嘴 １０． 雾化塔 １１． 产品收集器 １２． 高真空泵 １３． 低真空泵 图２ 气体雾化制取球形钛与钛合金粉末新工艺示意图 Ｆｉｇ． ２ Ｄｉａｇｒａｍｍａｔｉｃ ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｇａｓ ａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
Ｓ ｔａ ｔｕｓ ｏｎ Ｔｉ Ａｌｌｏｙ
ＹＯＵ Ｔａ ｏ１， ＹＵＡＮ Ｘｉａ ｏ－ｃｈｕａ ｎ２， Ｓ Ｕ Ｇｕｉ－ｑｉａ ｏ１， ＺＨＡＮＧ Ｃｈｕｎ－ｈｕｉ１ （ １． Ｓ ｈｅ ｎｙａ ｎｇ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒｃｈ Ｉｎｓ ｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｆｏｕｎｄｒｙ， Ｓ ｈｅ ｎｙａ ｎｇ １１００２２， Ｌｉａ ｏｎｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ ； ２． Ｓ ｈａ ｎｄｏｎｇ Ｍｅ ｔａ ｌｌｕｒｇｙ Ｇｅ ｏｌｏｇｙ Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ Ｒｅ ｃｏｎｎａ ｉｓ ｓ ａ ｎｃｅ Ｃｏｒｐｏｒａ ｔｉｏｎ， Ｊ ｉ＇ｎａ ｎ ２５０１０１， Ｓ ｈａ ｎｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ）
于钛合金生产的几种快速凝固技术的研究状况， 简述了快速凝固技术在提高现有钛合金性能和开发新型钛合金方面的 作用。
关键词： 快速凝固； 钛合金； 性能 中图分类号： ＴＧ１４６．２＋３ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００１－ ４９７７ （ ２００７） ０６－ ０５６７－ ０５
Ｒａ ｐｉｄ Ｓ ｏｌｉｄｉｆｉｃａ ｔｉｏｎ Ｔｅ ｃｈｎｏｌｏｇｙ ａ ｎｄ Ｉｔ＇ｓ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒｃｈ
粉末材料是制造高温合金烧结制件、复合材料及 机械合金化的基础材料， 获得优质廉价的粉末是发展 高性能钛粉末冶金的关键。近几十年来， 发展了许多 低氧球形钛合 金 粉 末 的 制 取 方 法［１１－１２］， 如 气 体 雾 化 法， 等 离 子 旋 转 电 极 法 （ ＰＲＥＰ） 、 电 子 束 旋 转 盘 法 （ ＥＢＲＤ） 、 激 光 旋 转 雾 化 法 （ ＬＳＡ） 等 。 １９８５ 年 美 国 Ｃｒｕｃｉｂｌｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ发表了用水冷铜坩埚Ａｒ气雾化 制取钛合金粉末的第一篇专利， １９８８年建立了年产１１ ｔ 的气雾化装置［１３］； １９９０年德国ＬｅｙｂｏｌｄＡＧ发表了无坩埚 熔炼雾化钛合金粉末的专利， 称ＥＩＧＡ （ 电极感应熔化 气体雾化） 工艺［１４］。
（ １） 细化β晶粒 ①冷却速度因素， β晶粒随着冷 却速度的增加而减小， 二者之间的关系可用Ｌ＝ ＡＴ－ｎ理 论 公 式 来 描 述 。 式 中Ｌ对 于 球 形 和 丝 状 粉 末 来 说 是 直 径 （ !ｍ） ， 对于薄片和窄条粉末来说 是厚度 （ "ｍ） ， Ｔ是 平均冷却速度； ②溶质因素， 快速凝固能显著的扩大 合金元素在钛中的固溶度而形成过饱和的固溶体， 且 这种过饱和的固溶体在随后的热处理过程中又能得到 均匀分布的弥散相。