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

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

電極感應熔煉氣霧化法（EIGA）
將TC4鈦合金制作成電極棒,，通過感應線圈將電極棒加熱熔化并形成細小的液流,，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流管模式,，制備的粉末純凈度高。

△圖1電極感應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和保護氣氛，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,，其原理如下圖2和圖3所示,。熱等靜壓工藝已經(jīng)在很多領域得到廣泛的應用，如TiC等硬質合金的燒結制備及成形后處理,、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缺陷處理和難焊接材料的擴散連接等,。

△圖2 熱等靜壓成型原理

△圖3 熱等靜壓內部孔隙去除缺陷

粉末熱等靜壓（HIP）工藝將粉末近凈成形特點和熱等靜壓可得優(yōu)異材料性能特點相結合,，是一種可以同時達到致密化和凈近成形效果的方法，其優(yōu)點包括：材料致密度高,，相對密度接近100%,，具有良好的微觀結構，純凈度高,，晶粒細小,，組織均勻，各向同性,，內應力小,，性能可全面達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性能,，以達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熔煉氣霧化EIGA工藝制備,，其粉末及熱等靜壓零件的化學成分標準值及測試值如下表1所示,，均滿足鍛件國標GB/T 25137-2010要求，且氧含量增量100ppm以內,。

△表1 TC4化學成分（wt.%）

由于采用3D打印粒徑區(qū)間外的副產(chǎn)品應用于熱等靜壓技術,，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性能：

（1）粉末熱等靜壓件的致密度達到99.6%,；
（2）粉末熱等靜壓件的室溫力學性能穩(wěn)定,，且滿足鍛件標準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性能

△圖6 TC4鈦合金粉末熱等靜壓件的加工實物圖

TC4鈦合金粉末熱等靜壓工藝的應用
1955年，首臺熱等靜壓設備在美國研制成功,，標志著熱等靜壓工藝技術的誕生,。美國在航空航天工程和軍事領域大力研發(fā)粉末鈦合金的技術，具有優(yōu)勢,，應用如F14發(fā)動機短艙骨架和機身支架,，F(xiàn)-15戰(zhàn)斗機的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)動機公司與伯明翰大學通過計算機仿真模擬與HIP近凈成形技術相結合制備的航空發(fā)動機壓縮機外罩,，其是目前公開報道中較大的粉末鈦合金HIP近凈成形的航空結構件。

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

目前,，國內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,，很多已應用于航空航天和軍事工業(yè)上,，如航空發(fā)動機、航天器,、氫泵葉輪,、薄壁艙體、空氣舵骨架,、導彈尾翼,、貯箱、渦輪盤,、潛艇潛望鏡筒體等,，特別在C919大飛機試飛成功的基礎上，粉末鈦合金將會在國內航空領域有更大的發(fā)展。航天材料及工藝研究所是國內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,，如錦板骨架結構件,、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)為導向,，精密制造為核心的國家高新技術企業(yè),。在粉末業(yè)務方面,，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、高溫合金等高品質粉末逾1000噸,，產(chǎn)品廣泛應用于增材制造、MIM,、表面處理等領域,。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)品質量,，向客戶提供優(yōu)質有效的一體化的技術解決方案,。

△掃碼申請獲取TC4 鈦合金粉末資料