Integración de control de forma de aleación de titanio mediante pulvimetalurgia de bajo costo

La aleación de titanio tiene excelentes propiedades como peso ligero, alta resistencia y resistencia a la corrosión, y desempeña un papel irreemplazable en muchos campos. Sin embargo, el bajo rendimiento de procesamiento del titanio hace que las piezas producidas mediante procesos tradicionales de fundición y forjado + mecanizado sean caras, lo que limita su aplicación. La tecnología de pulvimetalurgia consiste en sinterizar directamente el polvo en las piezas, lo que puede resolver fundamentalmente el problema de los altos costes de procesamiento del titanio.

En la actualidad, las piezas de aleación de titanio obtenidas por pulvimetalurgia tienen dos problemas principales: un rendimiento deficiente y una fácil deformación durante la sinterización. Entre ellos, la baja densidad de sinterización y el alto contenido de oxígeno son las principales razones del bajo rendimiento, y la contracción desigual causada por la mezcla desigual de partículas es la causa principal de la deformación de los productos sinterizados. Por lo tanto, es urgente desarrollar una tecnología integrada de control de forma de aleación de titanio obtenida por pulvimetalurgia de bajo costo para promover la aplicación de ingeniería y el desarrollo de la aleación de titanio obtenida por pulvimetalurgia.

El equipo de investigación "Modificación funcional y fabricación avanzada de polvos especiales" creado por Yang Yafeng, investigador del Instituto de Ingeniería de Procesos de la Academia China de Ciencias, ha llevado a cabo una serie de trabajos de investigación en torno al problema del control de forma de las aleaciones de titanio de pulvimetalurgia. A lo largo de años de investigación, se han desarrollado una serie de coadyuvantes de sinterización de alta eficiencia y adsorbentes de impurezas de oxígeno, que han mejorado enormemente la densidad de sinterización y el rendimiento de las aleaciones de titanio de pulvimetalurgia. Sobre esta base, se ha desarrollado un nuevo tipo de polvo de titanio recubierto con altas características de homogeneización, que ha logrado un control preciso de la forma de piezas de aleación de titanio de formas complejas. Se han publicado más de 10 artículos sobre los resultados de investigaciones relacionadas, que han atraído una amplia atención en campos relacionados.

Puntos destacados del artículo
Se propone el principio de diseño de los auxiliares de sinterización de aleaciones de titanio mediante pulvimetalurgia y su mecanismo para reforzar el comportamiento de densificación de la sinterización.

Se exploró la ley de disolución de la película de óxido y el comportamiento de difusión durante la sinterización, y se diseñó un adsorbente de impurezas de oxígeno eficiente, que mejoró significativamente la resistencia y la plasticidad;

Análisis gráfico:

Figura 1:

Dificultades y soluciones a las que se enfrentan las aleaciones de titanio obtenidas por pulvimetalurgia

Figura 2:

Microestructuras de sinterización de muestras de (a) Ti–3Fe–1Si y (b) Ti–3Fe–2Si, y (c) tendencias cambiantes de la densidad y las propiedades de sinterización con la adición de Si.

La adición de un coadyuvante de sinterización Fe-Si aumenta la densidad de sinterización de la aleación de titanio a más del 99 %.

Figura 3:

(a) Curva de expansión del compacto de polvo de Ti, espectros de perfil de profundidad XPS de alta resolución del polvo de Ti original (b) y del polvo de Ti tratado térmicamente (c) en diferentes tiempos de grabado.

Los resultados de la curva de expansión térmica y de la espectroscopia fotoelectrónica indican que la película de óxido sobre la superficie del titanio comienza a difundirse en la matriz a 670 °C. En base a esto, se establecen los criterios de diseño para los adsorbentes de impurezas de oxígeno (reacción y eliminación de la película de óxido antes de que se disuelva).

Figura 4:

Tendencias en las propiedades de las aleaciones de titanio con el tipo y la cantidad de absorbente de oxígeno añadido

Al agregar 0,3 % en peso de absorbente de oxígeno de alta eficiencia NdB6, el alargamiento de la aleación de titanio aumenta de ~12,5 % a más del 17 %.

Figura 5:

(a) Fotografía SEM de polvo recubierto, (b) curvas de expansión térmica de polvo recubierto y polvo mixto, (c) fotografía de medición de precisión dimensional de piezas amortiguadoras de automóviles sinterizadas con polvo mixto y polvo recubierto

La composición de la aleación del polvo recubierto es más uniforme y el cuerpo verde prensado en frío exhibe una contracción lineal uniforme durante el proceso de sinterización, lo que resuelve el problema de la fácil deformación de piezas de formas complejas de aleación de titanio de pulvimetalurgia durante la sinterización.

Figura 6:
(a–d) morfología y distribución de elementos del polvo recubierto, (e) fotografías de piezas de automóviles después de prensar la carrocería verde y sinterizar el polvo recubierto

La superficie del polvo de titanio está recubierta uniformemente con coadyuvantes de sinterización y absorbentes de oxígeno, lo que no solo logra una sinterización de alta densidad y un alto rendimiento, sino que también permite la formación de sinterización única de piezas complejas.

Se reveló que la composición desigual de los polvos mezclados mecánicamente es la causa intrínseca de la deformación por sinterización, y se desarrolló un polvo de titanio recubierto altamente homogeneizado, que fortaleció el comportamiento de contracción lineal del producto durante la sinterización y logró una formación precisa.

Este artículo presenta la nueva estrategia propuesta por el equipo para fortalecer la densificación de sinterización de la aleación de titanio de pulvimetalurgia mediante la "formación inducida por reacción de una fase líquida a baja temperatura". El nuevo agente auxiliar Fe-Si desarrollado produce una fase líquida transitoria y una fase líquida permanente durante el proceso de sinterización. Las dos fases líquidas aumentan la densidad de sinterización a más del 99% mediante un fortalecimiento sinérgico. Luego, para resolver el problema de fragilidad causado por el alto contenido de impurezas de oxígeno disuelto, el equipo reveló primero que la temperatura de disolución inicial de la película de óxido en la superficie del polvo de titanio es de 670 ºC, y estableció los criterios de diseño del adsorbente de impurezas de oxígeno de "reaccionar y eliminar la película de óxido antes de que se disuelva".

Luego, se introdujo un 0,3 % en peso de adsorbente de oxígeno NdB6 para lograr una mejora significativa en la plasticidad de la aleación de titanio. Con base en el trabajo de investigación anterior, se logró el recubrimiento uniforme de los auxiliares de sinterización y los adsorbentes de impurezas de oxígeno en la superficie del polvo de titanio a través de la tecnología de modificación funcional de la superficie del polvo de lecho fluidizado, que promovió la rápida homogeneización de la composición del cuerpo verde durante el proceso de sinterización, fortaleció la capacidad de contracción lineal uniforme y resolvió el problema de deformación por sinterización de la aleación de titanio de pulvimetalurgia. Con base en las teorías y los resultados de la investigación anteriores, el equipo cooperó con las empresas para formar una nueva tecnología integrada de control de forma y propiedad de aleación de titanio de pulvimetalurgia, estableció una línea de producción de bajo costo para la aleación de titanio de pulvimetalurgia y promovió el desarrollo de la tecnología de pulvimetalurgia y las aplicaciones de ingeniería de las aleaciones de titanio.