先進(jìn)鈦制造商IperionX 公司開發(fā)系列鈦專利技術(shù)，重塑美國本土鈦供應(yīng)鏈

IperionX 公司是一家來自美國的領(lǐng)先鈦制品開發(fā)商，致力于為航天、航空航天、電動汽車和 3D 打印等先進(jìn)行業(yè)提供優(yōu)質(zhì)的鈦資源及其衍生產(chǎn)品。該公司擁有眾多突破性的專利鈦生產(chǎn)技術(shù)，如氫輔助金屬熱還原制粉技術(shù)（HAMR）、氫燒結(jié)和相變 (HSPT)。這些技術(shù)可以生產(chǎn)低碳且完全循環(huán)的鈦產(chǎn)品，對美國本土鈦制造業(yè)的發(fā)展具有極其重要的意義。

IperionX 憑借其先進(jìn)的鈦生產(chǎn)技術(shù)有潛力為美國國內(nèi)鈦原材料供應(yīng)鏈提供更低的成本和更可持續(xù)的供應(yīng)鏈。IperionX 正在其位于猶他州的運(yùn)營試點(diǎn)工廠中利用鈦廢料生產(chǎn)鈦金屬粉末，并打算在弗吉尼亞州的鈦示范工廠擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。 IperionX 持有 Titan 項(xiàng)目 100% 的權(quán)益，該項(xiàng)目擁有美國最大的符合 JORC 標(biāo)準(zhǔn)的富含鈦、稀土和鋯石的礦砂資源。

應(yīng)用案例

在2023年8月份，南極熊曾報(bào)道IperionX與洛克希德·馬丁公司簽訂鈦金屬部件訂單，：IperionX利用其粉末冶金工藝和先進(jìn)鈦粉材料，為洛克希德·馬丁公司生產(chǎn)鈦部件-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺 (nanjixiong.com) 。洛克希德馬丁公司總部位于馬里蘭州貝塞斯達(dá)，是一家全球安全和航空航天公司，在全球擁有約 116,000 名員工，主要從事先進(jìn)技術(shù)系統(tǒng)、產(chǎn)品和服務(wù)的研究、設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造、集成和維護(hù)。

在10月份，IperionX與傳統(tǒng)制造商GKN Aerospace達(dá)成合作協(xié)議（GKN利用 IperionX 進(jìn)行再生鈦 3D 打印-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(nanjixiong.com)），利用 GKN Aerospace 提供的廢鈦原料生產(chǎn) 100% 回收鈦粉。以上兩個(gè)項(xiàng)目均使用到了IperionX專利的氫燒結(jié)和相變 (HSPT) 技術(shù)，這是一種增強(qiáng)鈦零件微觀結(jié)構(gòu)的尖端技術(shù)，以提供與變形鈦合金相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和疲勞性能。

HAMR低氧鈦粉制備技術(shù)——突破性科學(xué)技術(shù)

首先，要介紹的是一種名為氫輔助鎂還原（HAMR）的新型制粉工藝。在粉末冶金行業(yè)，一些常見的金屬可以通過碳（或氫）從氧化物還原為金屬，如鐵、鎢、鈷等。二氧化鈦則難以通過這種還原法制備，這是因?yàn)門iO2化合物中Ti-O 鍵具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性。1940 年，William Kroll 發(fā)明了一種工藝（簡稱克羅爾工藝）克服了這一挑戰(zhàn)，它依靠 TiO2 在碳熱反應(yīng)中氯化來產(chǎn)生 TiCl4，然后在真空中被熔融鎂還原并蒸餾產(chǎn)生海綿鈦（主要金屬）。然后將該海綿多次真空熔化以形成鈦錠，然后可熱加工成軋機(jī)產(chǎn)品。

然而，來自IperionX 公司的ZakFang 博士在2016 年發(fā)現(xiàn)，在氫氣氣氛下，TiO2 可以被固體鎂還原，因?yàn)闅錃鈺�破�?Ti-O 鍵的穩(wěn)定性。該原理也適用于回收鈦廢料的脫氧，因?yàn)樽铍y“清潔”的雜質(zhì)是表面吸收的氧氣，尤其是機(jī)加工廢料中常見的情況。因此，Zak Fang開發(fā)了兩步氫輔助鎂還原 (HAMR)技術(shù)。

△不同工藝的 CP-Ti 或 Ti–6Al–4V 粉末的 SEM 顯微照片：(a) Kroll（海綿細(xì)），(b) Armstrong，(c) HAMR，(d) FFC，(e)氫化脫氫-HDH，( f) 旋轉(zhuǎn)電極霧化-PREP 和(g) 等離子體霧化。

△HAMR 過程的主要處理步驟圖解。 HAMR中使用的純化TiO2可以通過堿焙燒法、氯化法或硫酸鹽法制備。

使用氫氣有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，氫有助于破壞 Ti-O 體系的穩(wěn)定性，增加 Mg 與 Ti-O 反應(yīng)的熱力學(xué)驅(qū)動力。使用氫氣的另一個(gè)好處是在還原過程中形成氫化鈦，而不是鈦金屬。眾所周知，與α-Ti相比，氫化鈦在空氣中更不易氧化，這使得還原后更容易處理材料并控制最終產(chǎn)品中的氧含量。HAMR 工藝的另一個(gè)關(guān)鍵特征是熔鹽的使用，特別是含鎂鹽，例如 MgCl2。人們發(fā)現(xiàn)有必要使用熔鹽來促進(jìn)反應(yīng)并大大改善還原過程的動力學(xué)。HAMR 工藝采用脫氧步驟來確保最終產(chǎn)品粉末中的氧含量足夠低，即低于ASTM-B299-13 對通用 Ti 的要求的 0.15wt-%。脫氧過程的更多細(xì)節(jié)將在下一節(jié)中描述。還原和脫氧步驟的組合，（即使用這兩步從 TiO2 中去除氧的方法）是能夠生產(chǎn)出氧含量足夠低的 Ti 粉末的關(guān)鍵因素之一HAMR 徹底改變了從礦物或廢料制造鈦金屬的能力，這是以前難以想象的。

△氫對 Ti-O 鍵的影響 不同重量百分比的 Ti-O 鍵（實(shí)線）與不同重量百分比的 Ti-O-H 鍵（虛線）@ 700 Co 時(shí)不穩(wěn)定

HSPT燒結(jié)技術(shù)——品質(zhì)堪比優(yōu)質(zhì)鍛造鈦合金

氫燒結(jié)和相變 (HSPT) 是一項(xiàng)專有技術(shù)，是 IperionX 廣泛的鈦技術(shù)專利組合的一部分。該技術(shù)是由Fang、Sun和Paramore等人在2011年開發(fā)的工藝，它是一種多步無壓燒結(jié)工藝，其中氫化鈦或部分氫化鈦粉與母合金混合。元素粉末并在動態(tài)控制的氫氣氣氛下燒結(jié)。燒結(jié)后，通過在真空或惰性氣體下退火去除殘留的氫（見下圖）。HSPT 利用（鈦合金）-H 系統(tǒng)中的相變，在熱循環(huán)過程中同時(shí)細(xì)化微觀結(jié)構(gòu)。

△HSPT 燒結(jié)曲線示意圖

HSPT 工藝是IperionX 公司專門開發(fā)的一種低成本工藝，用于生產(chǎn)具有鍛制微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的高性能近凈形鈦合金零部件。HSPT 提供可與鍛造工藝競爭的機(jī)械性能，但避免了高成本和高成本，與其相關(guān)的排放該工藝接受通過 HAMR 生產(chǎn)的不規(guī)則粉末作為原料。

△HSPT 燒結(jié)態(tài)微觀結(jié)構(gòu)

△真空燒結(jié)顯微組織

HSPT 技術(shù)與 HAMR 技術(shù)相結(jié)合，為最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用提供了低成本、可持續(xù)生產(chǎn)高質(zhì)量鈦零件的清晰路線。

相關(guān)研究鏈接1：https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/09506608.2017.1366003

相關(guān)研究鏈接2：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894715015016