鈦合金；金屬注射成型；粉末注射成形；鈦合金注射成型；粘結(jié)劑；脫脂；燒結(jié)；MIM鈦合金

    鈦及鈦合金具有低比重、高比強(qiáng)度、優(yōu)異的生物相容性以及良好的耐腐蝕性等特點(diǎn)，在航空航天、生物醫(yī)療、化工、船舶、汽車等領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。鈦合金粉末注射成形技術(shù)（powder injection molding，PIM）提高了材料的利用率，實(shí)現(xiàn)了中小型復(fù)雜形狀鈦產(chǎn)品的大批量、低成本制備，顯著地推動了鈦及鈦合金產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用。目前關(guān)于粉末注射成形鈦合金粘結(jié)劑體系的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道十分有限，新型粉末注射成形鈦合金粘結(jié)劑體系的開發(fā)處于停滯不前的狀態(tài)。本文分析總結(jié)了不同粉末注射成形鈦合金粘結(jié)劑體系的研究現(xiàn)狀，并針對目前存在的問題提出改進(jìn)措施。

    一、粉末注射成型技術(shù)簡介

    粉末注射成形技術(shù)是在粉末冶金技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，與塑料注射技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了原料近100% 的利用率，是一種近終成形技術(shù)。一般操作流程為：先將制備好的粉末與粘結(jié)劑經(jīng)過混煉和造粒制備成粒狀喂料，然后將喂料在注塑機(jī)上成形出特定形狀的產(chǎn)品生坯，再經(jīng)脫脂和燒結(jié)得到所需性能的產(chǎn)品。鈦合金粉末注射成形的優(yōu)點(diǎn)在于：

    ①可實(shí)現(xiàn)小型三維復(fù)雜形狀零件的批量化制備；

    ②成分均勻，組織細(xì)小，力學(xué)性能優(yōu)異；

    ③易于添加合金化元素以制備所需材料；

    ④易于控制材料微觀結(jié)構(gòu)。

    在粉末鈦合金的注射成形工藝中，粘結(jié)劑的設(shè)計(jì)是一個(gè)核心環(huán)節(jié)，肩負(fù)著在整個(gè)注射成形過程中使鈦合金粉末以流體狀態(tài)順利完成注射，生坯成形后可以維持形狀至預(yù)燒結(jié)階段的重要作用，但外加的粘結(jié)劑也成為了整個(gè)注射成形工藝中最可能的污染物來源之一。除此之外，較高含量的粘結(jié)劑會降低粉末裝載量，不僅導(dǎo)致脫脂后坯體形狀塌陷，產(chǎn)生變形、開裂等缺陷，還會使燒結(jié)收縮增大，嚴(yán)重降低產(chǎn)品尺寸精度；較低含量的粘結(jié)劑雖然能保證較高的粉末裝載量，但是難以制得流動性良好的喂料，無法順利完成注射，保證粘結(jié)劑含量與粉末裝載量之間的平衡性大大增加了粘結(jié)劑研究過程的困難。由此可見，粘結(jié)劑雖然不決定燒結(jié)制品的最終成分，但是其選取和使用會直接影響到后續(xù)的脫脂、燒結(jié)等工序，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在粉末注射成形鈦合金技術(shù)的研究工作中，將重心放在粘結(jié)劑技術(shù)上，也就抓住了問題的關(guān)鍵。為此本文介紹了不同粉末注射成形鈦合金粘結(jié)劑體系的研究現(xiàn)狀，針對目前存在的問題提出改進(jìn)措施，并對今后的研究方向提出了展望。

部分粉末注射成形鈦合金產(chǎn)品

（a）德國TiJet 公司制備的工程應(yīng)用零部件；（b）德國TiJet 公司制備生物醫(yī)用零部件；（c）Ti?6Al?7Nb 合金骨螺釘；（d）CP-Ti 人工鐙骨；（e）鈦合金眼鏡架；（f）Ti?6Al?4V 表殼實(shí)物

    二、部分研究進(jìn)展

    鈦金屬活性較高，溫度接近400 ℃ 時(shí)容易發(fā)生碳化、氮化、氧化，生成碳化鈦、氮化鈦以及氧化鈦等雜質(zhì)相，降低了燒結(jié)相對密度，惡化了材料的力學(xué)性能。在碳、氫、氧、氮等雜質(zhì)中，控制氧含量通常比控制其他雜質(zhì)更困難，氧含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）對鈦合金力學(xué)性能的影響如圖所示，隨著氧含量的增加，鈦合金的強(qiáng)度提高，但塑性顯著惡化。因此，粉末注射成形鈦合金在選用粘結(jié)劑時(shí)應(yīng)做到以下三點(diǎn)：

    ①要盡量保證高的粉末裝載量以提高制品尺寸精度；

    ②喂料要有充足的流動性以保證注射時(shí)可以順利充滿整個(gè)型腔；

    ③所用粘結(jié)劑組元不與高活性的鈦材料發(fā)生反應(yīng)并無殘余分解脫除。

    在研究初期，粉末鈦合金注射成形所用的粘結(jié)劑大多沿用其他金屬的粘結(jié)劑體系，而隨著科研工作的深化，出現(xiàn)了水溶性、聚縮醛基等新型粘結(jié)劑。當(dāng)前，粉末注射成形鈦合金廣泛應(yīng)用的粘結(jié)劑體系為熱塑性的蠟基粘結(jié)劑和塑基粘結(jié)劑，以及環(huán)境友好型的水基粘結(jié)劑。

氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)對鈦合金力學(xué)性能的影響

   三、結(jié)語與展望

    金屬注射成形鈦合金應(yīng)用市場的進(jìn)一步拓展面臨兩大挑戰(zhàn)，一是粉末注射成形技術(shù)相對成熟的球形鈦粉成本高，其制品難以在3C 以及汽車等領(lǐng)域大規(guī)模使用；二是缺乏適用于鈦合金粉末注射成形的粘結(jié)劑體系。氫化脫氫鈦粉的出現(xiàn)迎來了降成本的曙光，其與球形鈦粉相比，成本可降至20% 左右。但是，粉末注射成形鈦合金使用的粘結(jié)劑體系大多仍沿用自其它金屬，未能全面考慮鈦合金材料本身特性，研發(fā)過程一度陷入瓶頸。雖然國內(nèi)自主研發(fā)的鈦合金粘結(jié)劑體系打破了如BASF 等公司的技術(shù)封鎖，但由于缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)，其研發(fā)處于大規(guī)模試錯(cuò)階段，實(shí)用性進(jìn)程仍較緩慢。筆者以粘結(jié)劑體系的研究現(xiàn)狀出發(fā)，針對現(xiàn)階段粉末注射成形鈦合金存在的問題提出幾點(diǎn)建議以供同行研究者參考，共同推動粉末注射成形鈦合金的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

    （1）針對蠟基粘結(jié)劑粉末注射成形鈦合金制品尺寸精度低、塑性差的問題，可繼續(xù)深化PEG部分替換PW 組元的相關(guān)研究。相比于PW，PEG具有更好的潤濕性和更低的分解溫度，有助于提高喂料的裝載量、降低脫脂坯中雜質(zhì)元素的含量，從而提高鈦合金制品的尺寸精度及力學(xué)性能。

    （2）針對塑基粘結(jié)劑主組分POM 易與低成本高活性氫化脫氫鈦粉發(fā)生反應(yīng)的問題，一是可使用鈦合金專用氣氛密煉機(jī)制備喂料，隔絕氧氣，提高POM 熱氧穩(wěn)定性；二是在新型塑基粘結(jié)劑體系的研究開發(fā)中，繼續(xù)優(yōu)化抗氧化劑的配比，提高喂料的穩(wěn)定性。

    （3）針對水基粘結(jié)劑注射生坯易軟化的問題，一是可通過添加低氧甚至無氧的骨架劑組元，提高注射生坯強(qiáng)度；二是可繼續(xù)深化PEG 分子量對水基喂料成形性和保形性方面的研究，根據(jù)注射零件的形狀復(fù)雜程度選擇PEG 分子量。