Integrazione del controllo della forma di leghe di titanio metallurgiche in polvere a basso costo

La lega di titanio presenta eccellenti proprietà, come leggerezza, elevata resistenza e resistenza alla corrosione, e svolge un ruolo insostituibile in molti settori. Tuttavia, la scarsa lavorabilità del titanio comporta costi elevati per i componenti prodotti con i tradizionali processi di fusione e forgiatura + lavorazione meccanica, limitandone l'applicazione. La tecnologia della metallurgia delle polveri consente di sinterizzare direttamente la polvere per ottenere componenti, risolvendo alla radice il problema degli elevati costi di lavorazione del titanio.

Attualmente, i componenti in lega di titanio prodotti mediante metallurgia delle polveri presentano due problemi principali: prestazioni insufficienti e facile deformazione durante la sinterizzazione. Tra questi, la bassa densità di sinterizzazione e l'elevato contenuto di ossigeno sono le cause principali delle scarse prestazioni, mentre il ritiro irregolare causato dalla miscelazione non uniforme delle particelle è la causa alla radice della deformazione dei prodotti sinterizzati. Pertanto, è urgente sviluppare una tecnologia integrata di controllo della forma delle leghe di titanio prodotte mediante metallurgia delle polveri, a basso costo, per promuoverne l'applicazione e lo sviluppo in ambito industriale.

Il gruppo di ricerca "Modifica funzionale e produzione avanzata di polveri speciali", fondato da Yang Yafeng, ricercatore presso l'Istituto di Ingegneria dei Processi dell'Accademia Cinese delle Scienze, ha condotto una serie di studi sul problema del controllo della forma delle leghe di titanio prodotte mediante metallurgia delle polveri. Dopo anni di ricerca, sono stati sviluppati una serie di coadiuvanti di sinterizzazione ad alta efficienza e adsorbenti delle impurità di ossigeno, che hanno migliorato notevolmente la densità di sinterizzazione e le prestazioni delle leghe di titanio prodotte mediante metallurgia delle polveri. Su questa base, è stata sviluppata una nuova polvere di titanio rivestita, caratterizzata da un'elevata omogeneità, che ha consentito un controllo preciso della forma di componenti in lega di titanio dalla geometria complessa. Sono stati pubblicati oltre 10 articoli sui risultati delle ricerche correlate, suscitando ampia attenzione nei settori interessati.

Punti salienti dell'articolo
È stato proposto il principio di progettazione dei coadiuvanti di sinterizzazione per le leghe di titanio prodotte mediante metallurgia delle polveri e il relativo meccanismo di rafforzamento del comportamento di densificazione durante la sinterizzazione.

Sono stati studiati il meccanismo di dissoluzione della pellicola di ossido e il comportamento della diffusione durante la sinterizzazione, ed è stato progettato un adsorbente efficiente delle impurità di ossigeno, che ha migliorato significativamente la resistenza e la duttilità;

Analisi grafica：

Figura 1：

Difficoltà e soluzioni delle leghe di titanio prodotte mediante metallurgia delle polveri

Figura 2：

Microstrutture di sinterizzazione dei campioni (a) Ti–3Fe–1Si e (b) Ti–3Fe–2Si, e (c) andamento della densità e delle proprietà di sinterizzazione con l'aggiunta di Si.

L'aggiunta del coadiuvante di sinterizzazione Fe-Si aumenta la densità di sinterizzazione della lega di titanio a oltre il 99%

Figura 3：

(a) Curva di espansione del compatto di polvere di Ti, spettri XPS ad alta risoluzione del profilo di profondità della polvere di Ti originale (b) e della polvere di Ti trattata termicamente (c) a diversi tempi di incisione.

I risultati della curva di espansione termica e della spettroscopia fotoelettronica indicano entrambi che la pellicola di ossido sulla superficie del titanio inizia a diffondersi nella matrice a 670°C. Su questa base, sono stati stabiliti i criteri di progettazione degli adsorbenti delle impurità di ossigeno (reagire con la pellicola di ossido e rimuoverla prima che si dissolva).

Figura 4：

Andamento delle proprietà della lega di titanio in funzione del tipo e della quantità di adsorbente dell'ossigeno aggiunto

Aggiungendo lo 0,3wt% di NdB6, un assorbitore di ossigeno ad alta efficienza, l'allungamento della lega di titanio aumenta da circa il 12,5% ​​a oltre il 17%.

Figura 5：

(a) Immagine SEM della polvere rivestita, (b) curve di espansione termica della polvere rivestita e della polvere miscelata, (c) immagine della misurazione dell'accuratezza dimensionale di componenti automobilistici ammortizzanti sinterizzati con polvere miscelata e polvere rivestita

La composizione della lega nella polvere rivestita è più uniforme e il compatto pressato a freddo presenta un ritiro lineare uniforme durante il processo di sinterizzazione, risolvendo il problema della facile deformazione dei componenti dalla geometria complessa in lega di titanio prodotta mediante metallurgia delle polveri durante la sinterizzazione.

Figura 6：
(a–d) morfologia e distribuzione degli elementi nella polvere rivestita, (e) immagini dei componenti automobilistici dopo la pressatura del compatto e la sinterizzazione della polvere rivestita

La superficie della polvere di titanio è rivestita uniformemente con coadiuvanti di sinterizzazione e assorbitori di ossigeno, il che consente non solo una sinterizzazione ad alta densità e prestazioni elevate, ma anche la formatura mediante una singola sinterizzazione di componenti complessi.

È stato dimostrato che la composizione non uniforme delle polveri miscelate meccanicamente è la causa intrinseca della deformazione durante la sinterizzazione, ed è stata sviluppata una polvere di titanio rivestita altamente omogenea, che ha rafforzato il comportamento del ritiro lineare del prodotto durante la sinterizzazione, consentendo una formatura precisa.

Questo articolo presenta la nuova strategia proposta dal gruppo per rafforzare la densificazione durante la sinterizzazione della lega di titanio prodotta mediante metallurgia delle polveri attraverso la "formazione indotta dalla reazione di una fase liquida a bassa temperatura". Il nuovo agente ausiliario Fe-Si sviluppato genera una fase liquida transitoria e una fase liquida permanente durante il processo di sinterizzazione. Le due fasi liquide aumentano la densità di sinterizzazione a oltre il 99% attraverso un rafforzamento sinergico. Successivamente, per risolvere il problema della fragilità causata dall'elevato contenuto di impurità di ossigeno disciolte, il gruppo ha innanzitutto dimostrato che la temperatura iniziale di dissoluzione della pellicola di ossido sulla superficie della polvere di titanio è di 670ºC, stabilendo i criteri di progettazione dell'adsorbente delle impurità di ossigeno: "reagire con la pellicola di ossido e rimuoverla prima che si dissolva".

Successivamente, è stato introdotto lo 0,3wt% di adsorbente dell'ossigeno NdB6, ottenendo un significativo miglioramento della duttilità della lega di titanio. Sulla base delle ricerche sopra descritte, la tecnologia di modifica funzionale della superficie delle polveri mediante letto fluidizzato ha consentito di rivestire uniformemente la superficie della polvere di titanio con coadiuvanti di sinterizzazione e adsorbenti delle impurità di ossigeno, favorendo la rapida omogeneizzazione della composizione del compatto durante il processo di sinterizzazione, rafforzando la capacità di ritiro lineare uniforme e risolvendo il problema della deformazione durante la sinterizzazione della lega di titanio prodotta mediante metallurgia delle polveri. Sulla base delle teorie e dei risultati della ricerca sopra descritti, il gruppo ha collaborato con aziende per sviluppare una nuova tecnologia integrata di controllo della forma e delle proprietà delle leghe di titanio prodotte mediante metallurgia delle polveri, ha istituito una linea di produzione a basso costo per queste leghe e ha promosso lo sviluppo della tecnologia della metallurgia delle polveri e delle applicazioni industriali delle leghe di titanio.