先进钛制造商IperionX 公司开发系列钛专利技术，重塑美国本土钛供应链

IperionX 公司是一家来自美国的领先钛制品开发商，致力于为航天、航空航天、电动汽车和 3D 打印等先进行业提供优质的钛资源及其衍生产品。该公司拥有众多突破性的专利钛生产技术，如氢辅助金属热还原制粉技术（HAMR）、氢烧结和相变 (HSPT)。这些技术可以生产低碳且完全循环的钛产品，对美国本土钛制造业的发展具有极其重要的意义。

IperionX 凭借其先进的钛生产技术有潜力为美国国内钛原材料供应链提供更低的成本和更可持续的供应链。IperionX 正在其位于犹他州的运营试点工厂中利用钛废料生产钛金属粉末，并打算在弗吉尼亚州的钛示范工厂扩大生产规模。IperionX 持有 Titan 项目 100% 的权益，该项目拥有美国最大的符合 JORC 标准的富含钛、稀土和锆石的矿砂资源。

应用案例

在2023年8月份，南极熊曾报道IperionX与洛克希德·马丁公司签订钛金属部件订单，：IperionX利用其粉末冶金工艺和先进钛粉材料，为洛克希德·马丁公司生产钛部件-南极熊3D打印网 - 平台 (nanjixiong.com) 。洛克希德马丁公司总部位于马里兰州贝塞斯达，是一家全球安全和航空航天公司，在全球拥有约 116,000 名员工，主要从事先进技术系统、产品和服务的研究、设计、开发、制造、集成和维护。

在10月份，IperionX与传统制造商GKN Aerospace达成合作协议（GKN利用 IperionX 进行再生钛 3D 打印-南极熊3D打印网 - 平台(nanjixiong.com)），利用 GKN Aerospace 提供的废钛原料生产 100% 回收钛粉。以上两个项目均使用到了IperionX专利的氢烧结和相变 (HSPT) 技术，这是一种增强钛零件微观结构的尖端技术，以提供与变形钛合金相当的强度和疲劳性能。

HAMR低氧钛粉制备技术——突破性科学技术

首先，要介绍的是一种名为氢辅助镁还原（HAMR）的新型制粉工艺。在粉末冶金行业，一些常见的金属可以通过碳（或氢）从氧化物还原为金属，如铁、钨、钴等。二氧化钛则难以通过这种还原法制备，这是因为TiO2化合物中Ti-O 键具有极强的稳定性。1940 年，William Kroll 发明了一种工艺（简称克罗尔工艺）克服了这一挑战，它依靠 TiO2 在碳热反应中氯化来产生 TiCl4，然后在真空中被熔融镁还原并蒸馏产生海绵钛（主要金属）。然后将该海绵多次真空熔化以形成钛锭，然后可热加工成轧机产品。

然而，来自IperionX 公司的ZakFang 博士在2016 年发现，在氢气气氛下，TiO2 可以被固体镁还原，因为氢气会破坏 Ti-O 键的稳定性。该原理也适用于回收钛废料的脱氧，因为最难“清洁”的杂质是表面吸收的氧气，尤其是机加工废料中常见的情况。因此，Zak Fang开发了两步氢辅助镁还原 (HAMR)技术。

△不同工艺的 CP-Ti 或 Ti–6Al–4V 粉末的 SEM 显微照片：(a) Kroll（海绵细），(b) Armstrong，(c) HAMR，(d) FFC，(e)氢化脱氢-HDH，( f) 旋转电极雾化-PREP 和(g) 等离子体雾化。

△HAMR 过程的主要处理步骤图解。HAMR中使用的纯化TiO2可以通过碱焙烧法、氯化法或硫酸盐法制备。

使用氢气有很多优点。首先，氢有助于破坏 Ti-O 体系的稳定性，增加 Mg 与 Ti-O 反应的热力学驱动力。使用氢气的另一个好处是在还原过程中形成氢化钛，而不是钛金属。众所周知，与α-Ti相比，氢化钛在空气中更不易氧化，这使得还原后更容易处理材料并控制最终产品中的氧含量。HAMR 工艺的另一个关键特征是熔盐的使用，特别是含镁盐，例如 MgCl2。人们发现有必要使用熔盐来促进反应并大大改善还原过程的动力学。HAMR 工艺采用脱氧步骤来确保最终产品粉末中的氧含量足够低，即低于ASTM-B299-13 对通用 Ti 的要求的 0.15wt-%。脱氧过程的更多细节将在下一节中描述。还原和脱氧步骤的组合，（即使用这两步从 TiO2 中去除氧的方法）是能够生产出氧含量足够低的 Ti 粉末的关键因素之一HAMR 彻底改变了从矿物或废料制造钛金属的能力，这是以前难以想象的。

△氢对 Ti-O 键的影响 不同重量百分比的 Ti-O 键（实线）与不同重量百分比的 Ti-O-H 键（虚线）@ 700 Co 时不稳定

HSPT烧结技术——品质堪比优质锻造钛合金

氢烧结和相变 (HSPT) 是一项专有技术，是 IperionX 广泛的钛技术专利组合的一部分。该技术是由Fang、Sun和Paramore等人在2011年开发的工艺，它是一种多步无压烧结工艺，其中氢化钛或部分氢化钛粉与母合金混合。元素粉末并在动态控制的氢气气氛下烧结。烧结后，通过在真空或惰性气体下退火去除残留的氢（见下图）。HSPT 利用（钛合金）-H 系统中的相变，在热循环过程中同时细化微观结构。

△HSPT 烧结曲线示意图

HSPT 工艺是IperionX 公司专门开发的一种低成本工艺，用于生产具有锻制微观结构和机械性能的高性能近净形钛合金零部件。HSPT 提供可与锻造工艺竞争的机械性能，但避免了高成本和高成本，与其相关的排放该工艺接受通过 HAMR 生产的不规则粉末作为原料。

△HSPT 烧结态微观结构

△真空烧结显微组织

HSPT 技术与 HAMR 技术相结合，为最具挑战性的应用提供了低成本、可持续生产高质量钛零件的清晰路线。

相关研究链接1：https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/09506608.2017.1366003

相关研究链接2：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894715015016