鈦及其合金因具有密度低，比強度高，生物相容性和中高溫穩(wěn)定性好，以及良好的力學性能和優(yōu)異的耐腐蝕性，在航空航天、軍工及船舶等領域得到廣泛應用。傳統熔鍛的加工技術在制備大尺寸、簡單形狀鈦型材或制品等方面具備優(yōu)勢，但在制備復雜結構、中小型的鈦制品上存在成品率低、資源浪費大、生產成本高等問題。粉末近終成形技術恰恰可以彌補這一技術缺陷，通過粉末制備、近終成形的技術路線能夠批量化或定制化的制造多種尺度、多種結構特點的鈦合金制品。這類中小型制品在航空航天、軍工、醫(yī)療和民用消費領域具有更大應用潛力和產品附加值，是未來推進鈦產業(yè)低碳、綠色制造業(yè)轉型的重要方向。

1、壓制燒結

美國在鈦粉壓制燒結制備鈦合金產品方面研究很早。Dynamet Technology公司一直致力于鈦粉壓制成形產品的生產，如圖1所示，部分產品已得到小規(guī)模應用。該公司生產的第一種粉末冶金鈦制品是雷神公司的響尾蛇導彈上的圓頂外殼Ti-6Al-4V合金預成型件，后來還生產了粉末冶金Ti-6Al-6V-2Sn合金制品應用于Stinger導彈彈頭外殼。由于其在鈦制品上顯著的貢獻，Dynamet Technology公司成為了波音公司的粉末鈦合金制品的唯一供應商。此外，美國ADMA Products公司自1985年開始生產粉末冶金鈦零件，部分產品應用于航空航天領域。我國西北有色金屬研究院在鈦粉末近凈成形領域的研發(fā)也已有30多年的經驗，開發(fā)的多孔鈦制品已經應用在化工、食品等領域，圖1（b）所示為應用于過濾行業(yè)得粉末軋制多孔鈦板。

圖1 壓制成形鈦產品：

（a）美國Dynamet Technology公司生產的管坯及異形件

（b）西北有色金屬研究院制備的軋制鈦板

2、熱等靜壓

熱等靜壓（HIP）工藝是由美國巴蒂爾（Battelle）研究所在20世紀50年代發(fā)明的，該技術是一種以惰性氣體為傳壓介質，在850-2000 ℃溫度和100-200 MPa氣壓的協同作用下，對制品進行高溫壓制和燒結處理的技術，是目前粉末近凈成形鈦及鈦合金結構件全致密化的最主要手段，制品具有組織均勻、無織構、無偏析等特點。

國外發(fā)展鈦合金粉末熱等靜壓技術始于19世紀50年代，俄羅斯輕金屬研究所早在20世紀70年代在世界上最先研制出了整體復雜形狀的粉末鈦合金氫泵渦輪，并在RD-0120型氫氧發(fā)動機上得到應用；美國在20世紀90年代首先在航天領域實現商業(yè)化應用，并逐步拓展到在航空、兵器領域，如PW公司的F110發(fā)動機的連接桿，戰(zhàn)斧式巡航導彈F107發(fā)動機壓縮機轉子，Sidewind導彈頭罩，F107巡航導彈發(fā)動機葉輪，以及Stinger防空導彈戰(zhàn)斗部殼體等。

圖2：

（a）伯明翰 & R-R：V2500 鈦合金機匣

（b）Synertech公司ELI TC4葉輪

（c）Synertech公司ELI TC4機匣

（d）Courtesy Turbomeca公司直升機擴壓器

3、粉末注射成形

金屬粉末注射成形（Metal Injection Molding，MIM）技術可直接制備出具有或接近最終形狀的零部件，避免或減少機加工，大幅度降低制備成本。因此，粉末注射成形技術是批量化制備鈦及鈦合金應用零部件最為有效的技術手段之一。

電子通訊中的3C產品（包括手機、智能可穿戴，眼鏡框、5G信號件）是粉末注射成形技術的最主要應用領域，占比達到84.2%?，F階段主要以鐵基材料為主，而材料的輕量化設計和高品質追求是3C產品未來發(fā)展的主要方向。鈦合金具有低密度（密度僅為鐵基材料的一半）、高強度、耐腐蝕等特點，滿足未來材料的輕量化高品質設計。據統計，2020年中國鈦注射成形行業(yè)市場規(guī)模達到6.8億元，據需求方投入情況和供應方營收增長情況推算，預計2026年市場規(guī)模將達到20億元，年增長率可達20.13%。

圖3 粉末注射成形鈦合金在消費電子領域應用：

（上）華為手表鈦合金表殼

（下）蘋果手機鈦合金邊框

4、增材制造

增材制造（Additive Manufacturing， AM）是一種通過點、線、面逐層累加的成形技術，它不受零件復雜程度的影響，能自動、快速、準確地完成復雜零件的設計與制造。與傳統制造技術相比，增材制造在設計自由度、復雜零件成型以及材料利用率等方面具有獨特的優(yōu)勢，成為極具前景的鈦合金制造技術。根據SmarTech分析報道，2019年全球金屬3D打印市場達到33億美元，包括3D打印設備、材料和服務，預計在2024年將達到110億美元，鈦合金是其中最重要的打印金屬。

航空航天和軍工國防是鈦增材制造的第一大用戶，目前已成功用于航天發(fā)動機小型精密構件和航空大型復雜構件的直接成形，如太空發(fā)射系統、飛機機翼、整體控制面和艙門、發(fā)動機葉片等關鍵飛天裝備部件。

圖4 增材制造鈦合金在航空領域應用：

（上）發(fā)動機噴油嘴

（下）軍機鈦合金框架

粉末作為上述粉末冶金近終成形工藝的基礎原料，其成本和品質是影響粉末冶金制品價格和性能的最重要因素。為此，北京中科宏鈦新材料科技有限公司針對鈦合金粉末傳統制備工藝復雜、價格昂貴、細粉收得率低的技術瓶頸，歷經三年研發(fā)另辟蹊徑首創(chuàng)了微細鈦粉制備新工藝，自主完成粉體生產級裝備的設計開發(fā)，實現了粒度可控新型高品質鈦粉的批量化制備。

粉末細粉收得率由傳統35%提升至80%，成本降低40%以上，可適用于粉末注射成形、增材制造、粉末熱等靜壓等高端制造領域。主要產品類型包含純鈦、TC4、TA15等多種牌號可控粒徑的高品質鈦基粉末，以及氫化鈦基合金粉末、氫化脫氫粉末、以鈦為代表的定制化金屬基復合材料粉末等。