概述：钛铝合金粉末生产工艺及3D打印应用

【蜂耘网  3D打印】钛铝合金概述

 

钛铝合金（也称钛铝金属间化合物）是一种新型轻质的高温结构材料，具有密度低、比强度高、阻燃性能好、抗蠕变抗氧化性能好，兼有金属材料和陶瓷材料的优点，使用温度为600~900℃，是高温领域替代较重的镍基高温结构材料的理想备选材料之一。

 

钛铝粉末生产工艺

 

粉末是TiAl金属间化合物粉末冶金构件制备的前提与基础，对性能起着重要作用。TiAl金属间化合物粉末制备工艺可分为元素粉末法和预合金粉末法。

 

元素粉末法以元素粉末为原材料，成本低、工艺周期短，但是生成相较复杂、杂质含量较高、烧结性能也较差，其应用较少。

 

预合金粉末法成分均匀性较好，杂质元素含量低，制得的构件力学性能较好，因而成为TiAl金属间化合物粉末制备的首选工艺。常用的预合金粉末制备工艺主要有冷壁坩埚真空感应熔炼气雾化法、电极感应熔炼气雾化法以及等离子旋转电极雾化法。

 

冷壁坩埚真空感应熔炼气雾化法（VIGA-CC）

 

由于TiAl金属间化合物熔点高、活性大，因而选择冷壁坩埚。将TiAl金属间化合物原料放入冷壁坩埚中，当感应加热时，在坩埚底部和周围形成一个壳体，使使感应熔化总是在同成分的固态壳中进行，从而避免了坩埚材料的污染。当原料完全熔化并保温一段时间后，通过底部的导流管进入喷盘，在高速惰性气流作用下将液流破碎，并快速冷凝成粉末。该工艺制备粉末球形度高、氧含量低，但是存在能耗高，粉末碳含量高的问题。

 

 图1冷壁坩埚真空感应熔炼气雾化法示意图 

 

电极感应熔炼气雾化法（EIGA）
 

将TiAl金属间化合物制作成电极棒，通过感应线圈将电极棒加热熔化并形成细小的液流，经过喷盘，在高速惰性气流作用下将液滴破碎，并快速冷凝成粉末。该工艺为无坩埚无导流管模式，制备的粉末纯净度高，但是液流稳定性不易控制，且需提前熔炼出电极，存在成分偏析问题。

 

图2电极感应熔炼气雾化法示意图

 

等离子旋转电极雾化法（PREP）
 

将TiAl金属间化合物制作成电极棒，利用电极棒旋转产生的离心力将电极一端由等离子熔化的金属液滴沿切向甩出并雾化成粉末。该工艺制备的TiAl 金属间化合物粉末纯净、球形度高、流动性好、空心粉少。但该工艺受限于电极转速，粉末粒径较粗，生产效率也较低，由于采用母合金锭作为电极，同样存在成分偏析问题。

 

图3等离子旋转电极雾化法示意图

 

盘星新金属Ti4822粉末特性

 

盘星Ti4822粉末采用电极感应熔炼气雾化EIGA工艺制备，其粉末成分要求及测试值如下表1所示。

 

表1 Ti4822化学成分（wt.%）

 

 

制粉过程中，通过关键参数控制，实现连续、稳定、高效生产。由于应用于EBM技术，因而筛选出钛铝合金粉末的粒径段为53~150μm，其激光粒度分布见下表2所示。同时统计了6个批次的粉末粒度分布，见下图6，整体稳定。

 

表2 Ti4822 53~150μm激光粒度分布

 

图6 Ti4822（53~150μm）粉末粒度分布D50批次稳定性

 

Ti4822 53~150μm粉末具有优异的综合性能,如下表3所示。同时统计了6个批次的粉末流动性与松装密度，见下图7与图8，整体性能稳定。

 

表3 Ti4822 53~150μm粉末综合性能

 

图7 Ti4822（53~150μm）粉末流动性批次稳定性

 

图8 Ti4822（53~150μm）粉末松装密度批次稳定性

 

Ti4822 53~150μm粉末形貌如下图9所示，球形度高，卫星球少。

 

图9 Ti4822 53~150μm粉末形貌图

 

钛铝合金粉末应用

 

目前，TiAl金属金属间化合物大量应用于航空发动机低压涡轮叶片的研制和生产。2006年6月，GE公司宣布将在GEnx发动机中采用4822合金制造第6,7两级低压涡轮叶片，首次实现了TiAl金属间化合物的工程应用。

 

图10 中科院金属所制造的γ-TiAl合金低压涡轮叶片精密铸件

 

增材制造技术的独特优势，给TiAl金属间化合物的成型带来了新的机遇。适用于钛铝合金粉末的增材制造技术主要包括选区激光熔化（SLM）、激光金属沉积（LMD）和电子束选区熔化（EBM）。其中EBM技术超高的预热温度、较高的成形效率和良好的成形质量使其被认为是目前最合适钛铝合金异形件成形的增材制造技术。

 

图11 EBM钛铝合金大尺寸涡轮叶片

 

盘星致力粉末研发和生产

 

盘星新金属致力于新型金属材料、球形金属粉末的研发生产，是一家以研发为导向，精密制造为核心的国家高新技术企业。在粉末业务方面，盘星新金属现有10条真空气雾化生产线，年产钛合金、高温合金等高品质粉末逾1000吨，产品广泛应用于增材制造、MIM、表面处理等领域。未来，盘星将推出更多元化、低成本的粉末种类，以卓越稳定的产品质量，向客户提供高效一体化的技术解决方案。

 

（蜂耘3D打印网    责任编辑：似也）