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增材制造用钛合金的种类、应用、粉末制备技术,及市场用量情况

行业资讯 | 2021-12-28 304

      钛合金具有比强度高,耐蚀性好,高温力学性能优良等特点,可满足航空航天高机动性、高可靠和长寿命零部件设计的需要,其应用水平已经成为衡量航空及航天器选材先进程度的重要标志,同时钛合金具有良好的生物相容性,弹性模量与人体骨骼接近,在医疗领域也是一种重要应用材料。虽然钛具有诸多优良特性,但其加工一直是一项难题,钛的低热传导率、加工硬化、低弹性模量等因素造成传统机加工手段制造钛合金构件难度较大,材料利用率低,周期长,成本高,而等静压、注射成形、放电等离子烧结等方法又难以克服氧含量和孔隙率高等瓶颈问题。
      增材制造作为近净成形技术的一个新方向,大大减少了工序并缩短了制造周期,非常适用于复杂结构和定制化零件制造,而且材料利用率高,其技术优势与钛的应用领域需求具有天然契合点,同时增材制造能够规避钛的加工难题,钛的不利于传统机加工的诸如低热传导率特性反而有利于粉末激光成型,因此自金属增材制造技术兴起之后,钛合金被率先投入使用并迅速铺开,由此也带动了粉末材料的需求。当前全球增材制造用钛粉年用量在1000吨以上,在整个增材制造金属材料中仍然占据主要市场。

2014-2027年钛合金3D打印粉末总消耗量预测(来源:SmarTech)

      增材制造用钛合金粉末制备
      粉末材料作为金属增材制造的最主要基础原材料,是增材制造产业链中的重要组成部分。金属粉末特性对增材制造工艺稳定性、成形精密性和产品组织性能有关键影响。钛合金增材制造以钛合金粉末为原料,粉末粒度分布、纯净度、空心粉含量、流动性、松装密度等对成形件性能起着至关重要的作用。
      不同增材制造工艺所适用粉末特性有所差异,但基本要求都是成分纯净、粒径分布窄,流动性好。基于上述要求,应用于增材制造的金属粉末多为球形粉末,制备工艺也以球形粉末制备技术为主。金属增材制造中常用铝基、铁基、铜基等材料大多采用坩埚熔炼气体雾化制备,但由于钛具有极强的化学活性,在高温状态下和绝大多数的单质和化合物发生反应,因此为保证钛合金粉末的纯净度和低含氧量不宜使用传统坩埚方式熔炼。当前球形钛粉制备技术集中于电极感应熔炼气体雾化(EIGA)、等离子旋转电极(PREP)、等离子火炬雾化(PA)和射频等离子球化(PS),几种方法均为无坩埚形式。
      国内外主要增材制造钛粉供应商多以上述几种制备技术为基础,而且不同制备技术分别形成了代表性的设备和材料供应商,如德国ALD公司代表了EIGA设备的最先进水平,以PA技术为基础的AP&C几乎是高品质球形钛粉的代名词。几种钛粉制备方法在粉末特性、设备成本和生产效率方面各有优劣,但不可回避的一个问题就是细粒径粉末的制备成本。近几年铺粉用钛合金粉末市场价格已经大幅降低,但单价仍然明显高于其他增材制造粉末,一方面是由于钛本身材料价格高,作为高活性材料处理成本也高,另一方面和当前钛粉制备技术的细粉收得率和生产效率直接相关。虽然当前粉末成本并不是金属增材制造的最主要成本,钛的主要应用领域对价格也并不过分敏感,但在粉末需求不断增长的大背景下,降低成本是必然要求,因此开展钛粉制备技术开发和工艺优化具有重要意义。对球形钛粉制备而言,提高细粉收得率和相对连续工艺生产都是制备关键技术。
      增材制造用钛合金种类及应用
      钛合金存在α和β两种同素异形体,一般在882℃发生α↔β的转变。通常来说,根据钛合金中α相和β相的含量组成可将钛合金分成α钛合金、β钛合金、α+β钛合金三类,我国分别以TA、TB、TC表示。α钛合金是由α相单项固溶体组成,组织形态比较稳定,始终以α相形式存在,因此具有良好的高温稳定性和可焊性,但是其室温强度和塑性较差。β钛合金晶体结构为体心立方(BCC),其变形能力优于密排六方(HCP)结构的α钛合金,具有较好的塑性和室温强度。α+β钛合金可以通过调整合金元素成分调控α和β的相对含量从而达到提升合金成形性和力学性能,但这都是以牺牲其焊接性能和抗蠕变性能为代价。
      在增材制造领域中,目前α+β钛合金应用最多的是TC4,具有良好的耐蚀性、焊接性,可通过热处理调整组织及性能,在航空航天和医疗领域广泛使用,可在350℃以下长期使用;随着增材制造应用的不断拓展和轻量化要求的不断提高,越来越多航空航天零部件希望拥有更高的高温强度和稳定性部分替代密度较大的高温合金和不锈钢,同时又兼具良好可焊性的需求,α钛合金无疑是一个很好的选择,目前应用较为成熟的是TA15合金。TA15合金长时间(3000h)工作温度可达500℃,瞬时(不超过5min)可达800℃。450℃下工作时,寿命可达6000h。



来源丨3D打印技术参考
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