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

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

IperionX 憑借其先進的鈦生產技術有潛力為美國國內鈦原材料供應鏈提供更低的成本和更可持續(xù)的供應鏈。IperionX 正在其位于猶他州的運營試點工廠中利用鈦廢料生產鈦金屬粉末，并打算在弗吉尼亞州的鈦示范工廠擴大生產規(guī)模。 IperionX 持有 Titan 項目 100% 的權益，該項目擁有美國最大的符合 JORC 標準的富含鈦、稀土和鋯石的礦砂資源。

應用案例

在2023年8月份，南極熊曾報道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鈦粉材料，為洛克希德·馬丁公司生產鈦部件-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，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，主要從事先進技術系統(tǒng)、產品和服務的研究、設計、開發(fā)、制造、集成和維護。

在10月份，IperionX與傳統(tǒng)制造商GKN Aerospace達成合作協(xié)議（GKN利用 IperionX 進行再生鈦 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 100% 回收鈦粉。以上兩個項目均使用到了IperionX專利的氫燒結和相變 (HSPT) 技術，這是一種增強鈦零件微觀結構的尖端技術，以提供與變形鈦合金相當?shù)膹姸群推�勞性能�?/div>

HAMR低氧鈦粉制備技術——突破性科學技術

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，這是因為TiO2化合物中Ti-O 鍵具有極強的穩(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 在碳熱反應中氯化來產生 TiCl4，然后在真空中被熔融鎂還原并蒸餾產生海綿鈦（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產品。

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，因為氫氣會破壞 Ti-O 鍵的穩(wěn)定性。該原理也適用于回收鈦廢料的脫氧，因為最難“清潔”的雜質是表面吸收的氧氣，尤其是機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。

△不同工藝的 CP-Ti 或 Ti–6Al–4V 粉末的 SEM 顯微照片：(a) Kroll（海綿細），(b) Armstrong，(c) HAMR，(d) FFC，(e)氫化脫氫-HDH，( f) 旋轉電極霧化-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。首先，氫有助于破壞 Ti-O 體系的穩(wěn)定性，增加 Mg 與 Ti-O 反應的熱力學驅動力。使用氫氣的另一個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品中的氧含量。HAMR 工藝的另一個關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反應并大大改善還原過程的動力學。HAMR 工藝采用脫氧步驟來確保最終產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）是能夠生產出氧含量足夠低的 Ti 粉末的關鍵因素之一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（實線）與不同重量百分比的 Ti-O-H 鍵（虛線）@ 700 Co 時不穩(wěn)定

HSPT燒結技術——品質堪比優(yōu)質鍛造鈦合金

氫燒結和相變 (HSPT) 是一項專有技術，是 IperionX 廣泛的鈦技術專利組合的一部分。該技術是由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。燒結后，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)過程中同時細化微觀結構。

△HSPT 燒結曲線示意圖

HSPT 工藝是IperionX 公司專門開發(fā)的一種低成本工藝，用于生產具有鍛制微觀結構和機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械性能，但避免了高成本和高成本，與其相關的排放該工藝接受通過 HAMR 生產的不規(guī)則粉末作為原料。

△HSPT 燒結態(tài)微觀結構

△真空燒結顯微組織

HSPT 技術與 HAMR 技術相結合，為最具挑戰(zhàn)性的應用提供了低成本、可持續(xù)生產高質量鈦零件的清晰路線。

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

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