增材制造用TC4鈦合金粉末制備工藝的優(yōu)化

田 操, 陳 卓, 劉邦濤, 劉振軍, 張嘉振, 劉建光

(1.航天海鷹(哈爾濱)鈦業(yè)有限公司， 哈爾濱 150022 ； 2.中國商用飛機有限責(zé)任公司北京民用飛機技術(shù)研究中心， 北京 102211)

增材制造快速成形技術(shù)發(fā)展迅速，復(fù)雜鈦合金結(jié)構(gòu)件在該項技術(shù)上的應(yīng)用優(yōu)勢十分明顯[1-3]。由于鈦合金具有熔點高、活性高等特點，制備該種增材制造用鈦合金粉末難度較高。國內(nèi)鈦合金粉末制備技術(shù)起步比較晚，國產(chǎn)增材制造鈦合金粉末存在細粉收得率低、粉末粒度分布均勻性差、球形度較差，流動性差等問題[4-7]。目前，航天型號用增材制造TC4鈦合金粉末多數(shù)都是依靠進口，進口數(shù)量受限。因此，亟需發(fā)展增材制造用球形粉末制備工藝技術(shù)研究工作，提高粉末質(zhì)量和粉末收得率，打破進口粉末壟斷市場的局面。

1 實驗材料與設(shè)備

1.1 材料

原材料規(guī)格為φ160 mm×170 mm的二次自耗熔煉鈦錠。TC4鈦錠原材料化學(xué)成分檢測結(jié)果如表1所示。真空熔煉TC4單爐鈦錠質(zhì)量為15 kg，利用酸洗溶液對TC4鈦合金錠表面進行酸洗處理，去除TC4鈦錠表面反應(yīng)層，避免其他雜質(zhì)元素對粉末造成污染。去離子水清洗干凈后，用質(zhì)量分數(shù)為99.9%的無水乙醇擦拭干凈待用。

表1 TC4鈦錠原材料化學(xué)成分

1.2 實驗設(shè)備

實驗采用LT-TQP-25型號鈦合金制粉設(shè)備，如圖1所示。該設(shè)備采用冷壁坩堝真空感應(yīng)熔煉氣霧化制粉工藝，可以有效避免坩堝金屬熔體對粉末的污染，保證粉末的純凈。設(shè)備采用感應(yīng)線圈熔煉水冷銅坩堝內(nèi)的合金棒材，通過控制坩堝底部感應(yīng)線圈實現(xiàn)液流導(dǎo)通，當(dāng)合金液流流經(jīng)霧化噴嘴時，液流被霧化噴嘴產(chǎn)生的高速氣流擊碎并凝固形成微細粉末顆粒。

圖1 鈦合金制粉設(shè)備Fig. 1 Titanium alloy pulverizing equipment

2 實驗方法

2.1 TC4鈦合金懸浮感應(yīng)熔煉工藝設(shè)計

設(shè)計表2所示的五種線圈加載工藝進行合金熔煉實驗，五種線圈加載工藝設(shè)計合理與否直接影響鈦合金熔煉過程中各元素混合的均勻性。方案1，加載工藝過程中線圈最高功率300 kW，發(fā)現(xiàn)鈦錠芯部沒有完全融化，近外表皮發(fā)生融化，合金液流未從石墨導(dǎo)流管流出，檢測液態(tài)溫度為1 565 ℃，冷卻后取出未完全熔融鈦錠。方案2，線圈最高功率350 kW，TC4合金鈦錠完全融化，實測鈦液溫度1 650 ℃。方案3，設(shè)計線圈功率最高400 kW，通過實測液態(tài)溫度達到1 760 ℃。為了進一步提高液態(tài)合金的過熱度，接著設(shè)計了方案4和方案5，繼續(xù)增大線圈功率和保溫時間，實測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，進一步增大功率和延長保溫時間對提高液態(tài)合金過熱度沒有明顯效果。在線圈功率提升至400 kW時，鈦液溫度不再提升。為避免加熱線圈功率過高導(dǎo)致內(nèi)部鈦液低熔點元素產(chǎn)生少許揮發(fā)，影響材料化學(xué)元素匹配關(guān)系，最終確定選擇方案3作為合金的最佳熔煉工藝。該熔煉過程在確保合金液混合充分的前提下，減少能量的消耗。

表2 TC4冷坩堝真空感應(yīng)熔煉實驗

2.2 霧化壓力工藝設(shè)計

鈦錠加載熔煉后，熔融鈦液流從導(dǎo)流管流出，導(dǎo)流管直徑對粉末粒徑有一定影響。采用出口直徑為5 mm的石墨導(dǎo)流管進行霧化制粉實驗，當(dāng)合金流從石墨導(dǎo)流管流出，實測15 kg鈦液流下的時間50 s，質(zhì)量流率18 kg/min，15 kg鈦液霧化的時間82 s，霧化效率為11.25 kg/min，高壓惰性氣體壓力對制得粉末中值粒徑及粉末收得率有重要影響。霧化噴嘴采用環(huán)形輔氣促進霧化金屬液滴的冷卻。液流經(jīng)霧化噴嘴形成霧化，設(shè)備霧化氣體噴射極限壓力6.0 MPa，極限壓力暫時未測，實驗依據(jù)經(jīng)驗值設(shè)定4.5、5.0、5.5 MPa三組噴氣壓力值，在三組壓力下各生產(chǎn)兩爐次粉末，采用激光粒度分析方法檢測粉末中值粒徑和粉末收得率情況。實驗結(jié)果表明：在噴氣壓力為4.5 MPa條件下霧化制粉，粉末中值粒徑偏高，在80 μm以上，粉末細粉收得率偏低，大粒徑粉末占比較大；適當(dāng)提升霧化壓力到5.0 MPa，粉末中值粒徑降低至76 μm，細粉收得率提升至30%。繼續(xù)增加噴氣壓力至5.5 MPa，粉末中值粒徑減小至73 μm，細粉收得率提高至31%以上。通過上述實驗發(fā)現(xiàn)，噴氣壓力越大，細粉收得率越高。通過激光粒度分析檢測法檢測粉末收得率、激光增材制造用粉末收得率和電子束增材制造用粉末收得率，從圖2和表3分析結(jié)果可以看出，霧化噴氣壓力越高，細粉收得率越高。

表3 TC4鈦合金粉末粒度檢測結(jié)果

Table 3 Particle size test results of TC4 titaniumalloy powder

爐次號氣霧化壓力/MPad50/μm粉末收得率/%15～53 μm53～106 μm14.580.328.738.124.580.128.837.635.076.430.440.545.077.330.140.155.573.132.040.865.573.931.740.6

圖2 各霧化壓力制備粉末粒徑分布Fig. 2 Particle size distribution of powder prepared by various atomization pressures

2.3 霧化制粉工藝

感應(yīng)線圈加載曲線、霧化氣體壓力、石墨管出口尺寸為控制霧化粉末質(zhì)量的重要參數(shù)。根據(jù)上述實驗結(jié)果，優(yōu)化后的TC4合金制粉工藝參數(shù)如表4所示。整個霧化過程如圖3所示。

表4 TC4鈦合金粉末氣霧化制備工藝參數(shù)

Table 4 Technical parameters of aerosol preparationof TC4 titanium alloy powder

序號工藝參數(shù)參數(shù)數(shù)值1感應(yīng)線圈加載曲線方案32鈦液溫度≥1 760 ℃3霧化氣體壓力5.5±0.2 MPa4石墨管型號?=5 mm

圖3 霧化制粉過程Fig. 3 Atomization process for powder preparation

3 結(jié)果分析

3.1 化學(xué)成分

TC4鈦合金粉末化學(xué)成分檢測結(jié)果如表5所示，對比TC4鈦錠原材料化學(xué)成分，發(fā)現(xiàn)Al元素有一定的燒蝕，但是仍在GB/T3620.1—2016標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定范圍內(nèi)，粉末氧含量會有微弱增加，并不影響粉末整體性能，其他元素數(shù)值變化不明顯，TC4鈦合金粉末化學(xué)成分符合GB/T3620.1—2016標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

表5 化學(xué)成分檢測結(jié)果

Table 5 Detection result of chemical composition%

材料w(Al)w(V)w(Fe)w(O)w(C)w(N)w(H)Ti6-Al4-V5.5～6.753.5～4.5≤0.3≤0.2≤0.08≤0.05≤0.015原材料鈦錠6.220.0704.320.0780.0220.0120.003制備粉末6.170.0694.300.0920.0200.0110.0028

3.2 粒度分布

采用超聲波振動篩對所制備的TC4合金粉末進行分級處理，選取粒度數(shù)為15～53 μm、53～106 μm兩種粉末進行粒度、松裝密度、流動性、形貌檢測，具體結(jié)果如圖4所示。具體結(jié)果分析如下：15～53 μm粉末d50為36 μm，其中0～15 μm細粉比例<5%、大于53 μm粗粉的比例<10%，滿足激光選區(qū)熔化成形粉末粒度要求；53～106 μm粉末d50為76 μm，其中小于53 μm細粉比例<5%、大于106 μm粗粉的比例<10%，滿足電子束選區(qū)熔化成形粉末粒度要求。

圖4 粉末粒度分布曲線Fig. 4 Powder size distribution curve

3.3 松裝密度和流動性

依據(jù)GB/T 1479.3—2017進行TC4鈦合金粉末松裝密度檢驗，依據(jù)GB/T 1482—2010進行TC4合金粉末粉末流動性檢驗，采用霍爾流速表征粉末流動性。粒徑范圍分別為15～53 μm，53～106 μm，兩種粉未松裝密度分別為2.1和2.3 g/cm3，均大于2.0 g/cm3，兩種粉末霍爾流速分別為60和25 s/50 g。

3.4 粉末形貌

圖5和圖6分別為兩種粉末的形貌檢測結(jié)果。

圖5 15～53 μmTC4鈦合金粉末SEMFig. 5 SEM of 15-53 μm TC4 titanium alloy powder

圖6 53～106 μmTC4鈦合金粉末SEMFig. 6 SEM of 53-106 μm TC4 titanium alloy powder

從圖5、6可以看出，TC4鈦合金粉末通過旋風(fēng)分離技術(shù)獲得的各粒徑范圍顆粒較均勻，堆積狀態(tài)較好，未發(fā)現(xiàn)明顯的異形顆粒，并且粉末的球形度較高，粘連衛(wèi)星球較少，細顆粒參雜也較少。這說明通過本工藝方法制備的粉末質(zhì)量較好。

4 結(jié) 論

(1)采用冷壁坩堝真空感應(yīng)熔煉氣霧化制粉工藝，設(shè)計線圈最大功率400 kW，實測鈦液溫度1 760℃。該狀態(tài)鈦液內(nèi)部感應(yīng)加熱與銅坩堝接觸傳熱損耗的熱量達到動態(tài)平衡，能夠?qū)崿F(xiàn)鈦合金各組分元素充分混合，保證生產(chǎn)粉末的均勻一致性。

(2)導(dǎo)流管直徑5 mm、霧化噴氣壓力為5.5 MPa條件下，細粉收得率較高，激光增材制造用粉末收得率32.0%、電子束增材制造用粉末收得率40.8%。粉末收得率較高，且粉末均勻性較好。

(3)增材制造用粉末化學(xué)成分符合GJB2896A—2007中關(guān)于TC4鈦合金粉末的化學(xué)成分要求，生產(chǎn)過程是氬氣保護態(tài)，氧含量上升不明顯。激光選區(qū)用粉末的d50為36 μm，電子束選區(qū)熔化成形用粉末d50為76 μm。兩種粉末粒度分布均勻，松裝密度分別為2.1和2.3 g/cm3，霍爾流速分別為60和25 s/50 g，粉末球形度較好，衛(wèi)星球粘連較少，滿足增材制造用TC4鈦合金粉末要求。