盤星新金屬 | SLM金屬3D打印TC4鈦合金粉末特性及成形性能

南極熊導讀：3D打印已經成為越來越受歡迎的制造技術,，可以提供高的設計自由度,，并具有優(yōu)化復雜幾何形狀和定制零件的巨大潛力。而使用選區(qū)激光熔化的TC4打印件所面臨的主要問題之一是性能的可靠性,，盤星新金屬對鈦合金選區(qū)激光熔化應用進行了持續(xù)性研究,，以確保材料性能及應用結果的穩(wěn)定性，并形成了《盤星新金屬技術白皮書》,，本文摘取部分內容,，如需了解更多，請登錄www.peshing.com

鈦合金中Ti-6Al-4V（TC4）合金材料應用最為成熟,，TC4鈦合金是一種典型的α+β兩相合金,，其成分含有6%的穩(wěn)定α相元素Al及4%穩(wěn)定β相元素V，兼顧了α相和β相的優(yōu)點,。因其具有密度低,、耐熱和耐腐蝕性優(yōu)異、比強度高等特點,，在航空航天,、生物醫(yī)療等領域都得到廣泛應用。選區(qū)激光熔化技術(Selective Laser Melting,，SLM)作為一種增材制造技術,，可實現(xiàn)復雜結構金屬構件的材料-結構一體化凈成形，為航空航天,、生物醫(yī)療高性能構件的設計與制造提供了新的工藝,。

盤星新金屬 TC4粉末特性
盤星TC4粉末采用電極感應熔煉氣霧化EIGA技術進行制備，TC4粉末成分要求及測試值如表1所示,。

△表1 TC4粉末化學成分

制粉過程中,，通過控制關鍵參數，實現(xiàn)連續(xù),、穩(wěn)定,、高效生產。收粉后,，通過篩分,、氣流分級、合批等工序制備15-53μmTC4粉末,。15-53μm粉末粒度分布見下表2所示,，粉末粒度分布呈正態(tài)分布，符合技術要求,。

△表2 TC4（15-53μm）粒度分布

TC4粉末具有優(yōu)異的綜合性能,，流動性好，松裝密度高,、振實密度高,，見表3,。

△表3 TC4（15-53μm）粉末綜合性能

經過氣流分級處理，0-53μm粉末去除掉0-20μm細粉,，粉末因物理吸附而產生的粘連情況和霧化過程中形成的衛(wèi)星粉情況得到改善,，粉末具有較好球形度，且球形粉表面變形量小,，見圖1,。

△圖1 TC4（15-53μm）粉末形貌（×100、×200）

盤星新金屬TC4粉末選區(qū)激光打印
采用GE Concept Laser M2型打印機完成TC4標準試樣的打印,，保護氣為高純度氬氣,，成形前將基板預熱至200℃，參數設置見表4,。采用NB 380M型真空熱處理爐完成TC4標準試樣的熱處理,，熱處理制度為800℃，保溫時間4h,，隨爐冷至室溫,，如下圖2所示。

△表4 SLM打印主要工藝參數

△圖2 M2打印機與真空熱處理爐

TC4粉末以直接成形的方式打印成標準試樣,，其尺寸如下圖3所示,。

△圖3 標準試樣尺寸圖

在標準試樣的打印過程，粉末共計循環(huán)6次進行循環(huán)打印試驗,。如下表5所示,，6次循環(huán)打印試樣的抗拉強度極差值為22MPa、屈服強度的極差值為37MPa,，每次強度之間的差異小于5%,，無明顯差異。延伸率之間極差值1.2%,，均值為14.4%,，可判斷6次循環(huán)打印試樣的延伸率無明顯差異，見圖4,。

△圖4 TC6循環(huán)6次力學性能穩(wěn)定性

因而,，在6次循環(huán)打印過程中，打印試樣的力學性能無明顯差異,，即TC4粉末至少可以循環(huán)打印6次而試樣性能不發(fā)生明顯變化,。打印試樣抗拉強度的均值為1027MPa，屈服強度的均值為938MPa,，延伸率的均值為14.4%。

△表5 循環(huán)打印試樣性能參數表

TC4粉末選區(qū)激光3D打印的應用


航空航天
有權威機構指出,，航空航天是增材制造技術研發(fā)與工業(yè)應用最有望獲得突破的領域,，其應用范圍已從零部件級（飛機,、衛(wèi)星、高超飛行器,、載人飛船的零部件打�,。┌l(fā)展至整機級（發(fā)動機、無人機,、微/納衛(wèi)星整機打�,。���

隨著航空技術發(fā)展,，飛機的設計越來越看重復雜大型整體化結構設計,，這是飛機結構輕量化設計的重要發(fā)展方向。飛機傳統(tǒng)設計受限于傳統(tǒng)制造技術,，一些創(chuàng)新存在“設計得出,，造不出”的問題，而增材制造技術的發(fā)展為復雜創(chuàng)新結構制造的實現(xiàn)提供契機,。選區(qū)激光熔化技術作為典型的增材制造技術,，在輕量化高性能結構及結構一體化領域有明顯優(yōu)勢，為復雜創(chuàng)新型結構“設計得出,，造得出”提供途徑,。TC4材料作為典型的中溫鈦合金，可應用于制造發(fā)動機機匣,、進氣口葉片,、梁和承力結構件。

生物醫(yī)療
從20世紀80年代起,，鈦合金就已經逐漸被用于口腔修復,、牙體種植、義齒支架等領域,。時至今日,，鈦合金作為生物醫(yī)用植入材料研究熱點，在醫(yī)療方面的應用已涉及到人工關節(jié),、血管支架,、骨科器械等。TC4作為一種常用生物醫(yī)用鈦合金,，已經在我國臨床應用,。傳統(tǒng)的鈦合金加工方法是鑄造法，操作復雜,，精度差,、成本高且污染環(huán)境。目前,，選區(qū)激光打印鈦及鈦合金被廣泛應用于制作冠橋修復體,、牙種種植,、義齒支架、種植體基臺等牙科領域,，以及人工關節(jié)假體（如髖,、膝踝、肩,、肘等）,、骨結合產品、骨創(chuàng)傷產品和脊柱內固定系統(tǒng)等骨科領域,。

在牙科領域,，SLM技術能夠進行定制化加工，可生產精密個性化修復體,，臨床應用效果最佳,，該技術在制作牙科支架、冠橋方面已經較為成熟,。如下圖5所示：
在骨科領域,，多孔鈦合金抗腐蝕性能、生物相容性以及與人骨相匹配的力學性能優(yōu)異,，是人體理想的骨科替代物植入體,。多孔鈦材料設計獨特的多孔結構和粗糙的內外表面，有利于成骨細胞的粘附,、增值和分化,，促使新骨組織生長，有利于植入體與骨之間形成一個整體,。如下圖6所示為SLM成形的TC4髖臼杯,。

選區(qū)激光打印技術模仿自然結構特定的復雜設計能力是傳統(tǒng)制造方法無法比擬的，同時能夠實現(xiàn)對患者進行定制化服務,，可滿足不同人群對精準醫(yī)療的需求,。

△圖5 選區(qū)激光打印TC4在牙科領域的應用              △圖6 選區(qū)激光打印TC4在骨科領域的應用

盤星新金屬，致力于為客戶提供新型金屬材料解決方案,。