TC4 鈦合金粉末熱等靜壓工藝及應(yīng)用，盤星新金屬發(fā)力金屬3D打印市場

來源：盤星新金屬

TC4鈦合金密度低，比強(qiáng)度高，生物相容性和中高溫穩(wěn)定性好，并具有良好的機(jī)械性能和優(yōu)異的耐腐蝕性，其在航空航天、軍工及船舶等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，是目前常用的鈦合金。由于TC4鈦合金機(jī)械加工性能差、材料成本高，常規(guī)成形方法的材料利用率低、加工余量大等缺點(diǎn)催生了鈦合金近凈成形技術(shù)的發(fā)展,可通過增材制造和粉末熱等靜壓工藝實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度輕量化零部件的快速成型制造。

TC4鈦合金粉末
粉末是TC4鈦合金粉末冶金構(gòu)件制備的前提與基礎(chǔ)，粉末物性對粉末熱等靜壓成形件的性能起著重要作用。TC4鈦合金粉常用的預(yù)合金粉末制備工藝主要有冷壁坩堝真空感應(yīng)熔煉氣霧化法、電極感應(yīng)熔煉氣霧化法（EIGA）以及等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法，其中EIGA法制備的粉末綜合性價(jià)比優(yōu)而得到普及。

電極感應(yīng)熔煉氣霧化法（EIGA）
將TC4鈦合金制作成電極棒，通過感應(yīng)線圈將電極棒加熱熔化并形成細(xì)小的液流，經(jīng)過噴盤，在高速惰性氣流作用下將液滴破碎，并快速冷凝成粉末。該工藝為無坩堝無導(dǎo)流管模式，制備的粉末純凈度高。

△圖1電極感應(yīng)熔煉氣霧化法示意圖

TC4鈦合金粉末熱等靜壓工藝
熱等靜壓（hot isostatic pressing，HIP）工藝，是以惰性氣體為傳力介質(zhì)和保護(hù)氣氛，在可控的高溫（2000℃以下）、高壓（100～200Mpa）密閉容器中，向放入其中的包套或者零部件表面施加各向同等的靜壓力后，獲得高致密化部件的技術(shù)，其原理如下圖2和圖3所示。熱等靜壓工藝已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，如TiC等硬質(zhì)合金的燒結(jié)制備及成形后處理、大型鑄件制品的致密化，靶材及打印件的致密化、鈦鉬等高溫合金的消除內(nèi)缺陷處理和難焊接材料的擴(kuò)散連接等。

△圖2 熱等靜壓成型原理

△圖3 熱等靜壓內(nèi)部孔隙去除缺陷

粉末熱等靜壓（HIP）工藝將粉末近凈成形特點(diǎn)和熱等靜壓可得優(yōu)異材料性能特點(diǎn)相結(jié)合，是一種可以同時達(dá)到致密化和凈近成形效果的方法，其優(yōu)點(diǎn)包括：材料致密度高，相對密度接近100%，具有良好的微觀結(jié)構(gòu)，純凈度高，晶粒細(xì)小，組織均勻，各向同性，內(nèi)應(yīng)力小，性能可全面達(dá)到或超過鍛件的水平。

TC4鈦合金粉末熱等靜壓工藝路線如下圖4所示：

△圖4 TC4鈦合金粉末熱等靜壓工藝路線

TC4鈦合金粉末熱等靜壓工藝可以消除缺陷，有效提高鈦合金工件力學(xué)性能，以達(dá)到高端裝備的高要求，同時可以降低鈦合金的成本，提高生產(chǎn)效率和鈦合金的利用率，從兩方面解決了鈦合金工藝技術(shù)所存在的問題。

盤星新金屬TC4鈦合金粉末熱等靜壓工藝特性
盤星TC4鈦合金粉末采用電極感應(yīng)熔煉氣霧化EIGA工藝制備，其粉末及熱等靜壓零件的化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)值及測試值如下表1所示，均滿足鍛件國標(biāo)GB/T 25137-2010要求，且氧含量增量100ppm以內(nèi)。

△表1 TC4化學(xué)成分（wt.%）

由于采用3D打印粒徑區(qū)間外的副產(chǎn)品應(yīng)用于熱等靜壓技術(shù)，粉末粒徑區(qū)間為53~250μm，其粉末物性參數(shù)見表2所示，粉末形貌SEM見下圖5。

△表2 TC4 53~250μm粉末物性參數(shù)

△圖5 TC4粉末SEM形貌圖

TC4鈦合金粉末熱等靜壓工藝具有優(yōu)異的綜合性能（見下表3和表4），加工實(shí)物圖見圖6，測量了3個批次的粉末熱等靜壓件的塊體密度與室溫力學(xué)性能：

（1）粉末熱等靜壓件的致密度達(dá)到99.6%；
（2）粉末熱等靜壓件的室溫力學(xué)性能穩(wěn)定，且滿足鍛件標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25137-2010要求；
（3）粉末熱等靜壓件的X射線探傷：未發(fā)現(xiàn)試樣內(nèi)部明顯缺陷（孔洞、裂紋、未熔合、夾雜等）；金相組織為α+β網(wǎng)籃組織；

△表3 TC4粉末熱等靜壓件的致密度

△表4 TC4粉末熱等靜壓件的室溫力學(xué)性能

△圖6 TC4鈦合金粉末熱等靜壓件的加工實(shí)物圖

TC4鈦合金粉末熱等靜壓工藝的應(yīng)用
1955年，首臺熱等靜壓設(shè)備在美國研制成功，標(biāo)志著熱等靜壓工藝技術(shù)的誕生。美國在航空航天工程和軍事領(lǐng)域大力研發(fā)粉末鈦合金的技術(shù)，具有優(yōu)勢，應(yīng)用如F14發(fā)動機(jī)短艙骨架和機(jī)身支架，F(xiàn)-15戰(zhàn)斗機(jī)的TC4鈦合金的龍骨接頭，F(xiàn)18引擎固定支架等。圖7為英國的R-R發(fā)動機(jī)公司與伯明翰大學(xué)通過計(jì)算機(jī)仿真模擬與HIP近凈成形技術(shù)相結(jié)合制備的航空發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)外罩，其是目前公開報(bào)道中較大的粉末鈦合金HIP近凈成形的航空結(jié)構(gòu)件。

△圖7 R-R公司HIP近凈成形技術(shù)生產(chǎn)的高性能Ti-6Al-4V鈦合金航空發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)外罩

目前，國內(nèi)科研院所開展了大量工作，開發(fā)出一批性能優(yōu)異的粉末鈦合金部件，很多已應(yīng)用于航空航天和軍事工業(yè)上，如航空發(fā)動機(jī)、航天器、氫泵葉輪、薄壁艙體、空氣舵骨架、導(dǎo)彈尾翼、貯箱、渦輪盤、潛艇潛望鏡筒體等，特別在C919大飛機(jī)試飛成功的基礎(chǔ)上，粉末鈦合金將會在國內(nèi)航空領(lǐng)域有更大的發(fā)展。航天材料及工藝研究所是國內(nèi)較早開展近凈成形粉末鈦熱等靜壓的單位，研發(fā)的產(chǎn)品包括各種牌號（如 TC4、TC11、TA7、TA15）的航空航天部件，如錦板骨架結(jié)構(gòu)件、筒件、水平翼骨架、葉輪等，如圖8所示。

△圖8 航天材料與工藝研究所研發(fā)的粉末鈦合金產(chǎn)品

民用市場上，隨著3D打印機(jī)快速增長的市場需求，打印用鈦合金基板的需求也在逐漸增加，利用TC4鈦合金粉末熱等靜壓成形鈦基板也具有較強(qiáng)的潛力市場。

盤星致力粉末研發(fā)與生產(chǎn)
盤星新金屬致力于新型金屬材料、球形金屬粉末的研發(fā)生產(chǎn)，是一家以研發(fā)為導(dǎo)向，精密制造為核心的國家高新技術(shù)企業(yè)。在粉末業(yè)務(wù)方面，盤星新金屬現(xiàn)有10條真空氣霧化生產(chǎn)線，年產(chǎn)鈦合金、高溫合金等高品質(zhì)粉末逾1000噸，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于增材制造、MIM、表面處理等領(lǐng)域。未來，盤星將推出更多元化、低成本的粉末種類，以優(yōu)異穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量，向客戶提供優(yōu)質(zhì)有效的一體化的技術(shù)解決方案。

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