Titanlegierungen verfügen über hervorragende Eigenschaften wie geringes Gewicht, hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit und spielen in vielen Bereichen eine unersetzliche Rolle. Die schlechte Verarbeitbarkeit von Titan führt jedoch zu hohen Kosten für Bauteile, die mit herkömmlichen Gieß- und Schmiede- sowie Bearbeitungsverfahren hergestellt werden, was ihre Anwendung einschränkt. Bei der Pulvermetallurgie wird das Pulver direkt zu Bauteilen gesintert, wodurch sich das Problem der hohen Verarbeitungskosten von Titan grundlegend lösen lässt.
Derzeit bestehen bei pulvermetallurgisch hergestellten Titanlegierungsbauteilen zwei wesentliche Probleme: unzureichende Eigenschaften und eine hohe Verformungsneigung während des Sinterns. Die geringe Sinterdichte und der hohe Sauerstoffgehalt sind die Hauptursachen für die unzureichenden Eigenschaften, während eine ungleichmäßige Schrumpfung aufgrund einer inhomogenen Partikelmischung die Ursache für die Verformung der gesinterten Produkte ist. Daher ist es dringend erforderlich, eine kostengünstige integrierte Technologie zur Formsteuerung pulvermetallurgischer Titanlegierungen zu entwickeln, um die technische Anwendung und Weiterentwicklung pulvermetallurgischer Titanlegierungen voranzutreiben.
Das von Yang Yafeng, einem Forscher am Institut für Verfahrenstechnik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, gegründete Forschungsteam „Funktionelle Modifizierung und fortschrittliche Herstellung spezieller Pulver“ hat eine Reihe von Forschungsarbeiten zur Formsteuerung pulvermetallurgischer Titanlegierungen durchgeführt. Im Laufe langjähriger Forschung wurden mehrere hocheffiziente Sinterhilfsmittel und Adsorbentien für Sauerstoffverunreinigungen entwickelt, die die Sinterdichte und Eigenschaften pulvermetallurgischer Titanlegierungen deutlich verbessert haben. Darauf aufbauend wurde ein neuartiges beschichtetes Titanpulver mit hoher Homogenität entwickelt, mit dem sich die Form komplexer Titanlegierungsbauteile präzise steuern lässt. Zu den Forschungsergebnissen wurden mehr als 10 Fachartikel veröffentlicht, die in den entsprechenden Fachgebieten große Aufmerksamkeit erregt haben.
Höhepunkte des Artikels
Es wurde das Konstruktionsprinzip von Sinterhilfsmitteln für pulvermetallurgische Titanlegierungen sowie deren Mechanismus zur Verstärkung des Sinterverdichtungsverhaltens vorgeschlagen.
Das Auflösen des Oxidfilms und das Diffusionsverhalten während des Sinterns wurden untersucht und ein hocheffizientes Adsorbens für Sauerstoffverunreinigungen entwickelt, das Festigkeit und Plastizität deutlich verbesserte;
Grafische Analyse：
Abbildung 1：
Herausforderungen und Lösungen bei pulvermetallurgischen Titanlegierungen
Abbildung 2：
Sintergefüge von Proben aus (a) Ti–3Fe–1Si und (b) Ti–3Fe–2Si sowie (c) die Veränderung von Sinterdichte und Eigenschaften mit zunehmendem Si-Gehalt.
Die Zugabe des Fe-Si-Sinterhilfsmittels erhöht die Sinterdichte der Titanlegierung auf über 99 %.
Abbildung 3：
(a) Wärmeausdehnungskurve eines Titanpulverpresslings, hochauflösende XPS-Tiefenprofilspektren von ursprünglichem Titanpulver (b) und wärmebehandeltem Titanpulver (c) bei unterschiedlichen Ätzzeiten.
Die Ergebnisse der Wärmeausdehnungskurve und der Photoelektronenspektroskopie zeigen übereinstimmend, dass der Oxidfilm auf der Titanoberfläche bei 670 °C beginnt, in die Matrix zu diffundieren. Darauf aufbauend wurden die Konstruktionskriterien für Adsorbentien von Sauerstoffverunreinigungen festgelegt: Der Oxidfilm soll reagieren und entfernt werden, bevor er sich auflöst.
Abbildung 4：
Veränderung der Eigenschaften der Titanlegierung in Abhängigkeit von Art und Menge des zugesetzten Sauerstoffabsorbers
Durch Zugabe von 0,3 Gew.-% des hocheffizienten Sauerstoffabsorbers NdB6 wird die Bruchdehnung der Titanlegierung von etwa 12,5 % auf über 17 % erhöht.
Abbildung 5：
(a) REM-Aufnahme des beschichteten Pulvers, (b) Wärmeausdehnungskurven des beschichteten Pulvers und des Mischpulvers, (c) Foto der Messung der Maßgenauigkeit von Fahrzeugstoßdämpferteilen, die aus Mischpulver und beschichtetem Pulver gesintert wurden
Die Legierungszusammensetzung des beschichteten Pulvers ist homogener, und der kaltgepresste Grünling weist während des Sinterprozesses eine gleichmäßige lineare Schrumpfung auf. Dadurch wird das Problem der leichten Verformung komplex geformter pulvermetallurgischer Titanlegierungsbauteile während des Sinterns gelöst.
Abbildung 6：
(a–d) Morphologie und Elementverteilung des beschichteten Pulvers, (e) Fotos von Automobilbauteilen nach dem Pressen des Grünlings und dem Sintern des beschichteten Pulvers
Die Oberfläche des Titanpulvers wird gleichmäßig mit Sinterhilfsmitteln und Sauerstoffabsorbern beschichtet. Dadurch werden nicht nur eine hochdichte Sinterung und hohe Leistungsfähigkeit erreicht, sondern auch die einmalige Sinterformgebung komplexer Bauteile ermöglicht.
Es wurde nachgewiesen, dass die inhomogene Zusammensetzung mechanisch gemischter Pulver die eigentliche Ursache der Sinterverformung ist. Daher wurde ein hochhomogenisiertes beschichtetes Titanpulver entwickelt, das das lineare Schrumpfungsverhalten des Produkts während des Sinterns stabilisiert und eine präzise Formgebung ermöglicht.
In diesem Artikel wird die vom Team vorgeschlagene neue Strategie zur Verstärkung der Sinterverdichtung pulvermetallurgischer Titanlegierungen durch die „reaktionsinduzierte Bildung einer Flüssigphase bei niedriger Temperatur“ vorgestellt. Das neu entwickelte Fe-Si-Hilfsmittel bildet während des Sinterprozesses eine transiente und eine permanente Flüssigphase. Durch synergistische Verstärkung erhöhen die beiden Flüssigphasen die Sinterdichte auf über 99 %. Um anschließend das durch den hohen Gehalt gelöster Sauerstoffverunreinigungen verursachte Versprödungsproblem zu lösen, wies das Team zunächst nach, dass die anfängliche Auflösungstemperatur des Oxidfilms auf der Oberfläche des Titanpulvers 670 ºC beträgt, und legte die Konstruktionskriterien für Sauerstoffverunreinigungs-Adsorbentien fest: „Reagieren und den Oxidfilm entfernen, bevor er sich auflöst“.
Anschließend wurden 0,3 Gew.-% des Sauerstoffadsorbers NdB6 eingesetzt, wodurch die Plastizität der Titanlegierung deutlich verbessert werden konnte. Auf Grundlage dieser Forschungsarbeiten wurde mithilfe der Technologie zur funktionellen Modifizierung von Pulveroberflächen im Wirbelschichtbett eine gleichmäßige Beschichtung der Titanpulveroberfläche mit Sinterhilfsmitteln und Adsorbentien für Sauerstoffverunreinigungen erreicht. Dies förderte die schnelle Homogenisierung der Zusammensetzung des Grünlings während des Sinterprozesses, verstärkte seine Fähigkeit zur gleichmäßigen linearen Schrumpfung und löste das Problem der Sinterverformung pulvermetallurgischer Titanlegierungen. Auf Grundlage der oben genannten Theorien und Forschungsergebnisse entwickelte das Team gemeinsam mit Unternehmen eine neue integrierte Technologie zur Form- und Eigenschaftssteuerung pulvermetallurgischer Titanlegierungen, errichtete eine kostengünstige Produktionslinie für pulvermetallurgische Titanlegierungen und förderte die Weiterentwicklung der Pulvermetallurgie sowie die technische Anwendung von Titanlegierungen.
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