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3D打印TC4钛合金材料的三种粉末制备方法概述

发布时间 :2023-01-15 21:03:02 浏览次数 :

3D打印(Three Dimensional Printing)是快速成型技术之一。利用粉末状塑料或金属等可粘合性材料,通过离散堆积原理,根据三维实体模型,通过分层软件,按一定厚度进行分层,将三维数字模型转换成厚度很薄的二维平面模型,再逐层打印构成实物的技术。

TC4钛合金锻件

钛合金具有高强度,低弹性模量和低密度,极好的抗疲劳性和耐腐蚀性等优点,迅速增长的激光3D打印行业的领先材料,特别得到航空航天和医疗领域的青睐。钛合金根据退火态下组织分为α型、β型及α+β型三类。牌号是“T”后分别跟A、B、C和顺序数字号,如TA4~TA8表示α型;TB1~TB2表示β型;而TC1~TCl0表示α+β型。α型钛合金室温强度较低(  σb约850 MPa),但高温(500~600℃)强度(500℃时,σb=400 MPa)和蠕变强度却居钛合金之首;且该类合金组织稳定,耐蚀性优良,塑性及加工成型性好,还具有优良的焊接性能和低温性能;β型钛合金在淬火态塑性韧性很好,冷成型性好;但该合金密度大,组织不够稳定,耐热性差,使用不太广泛;α+β型钛合金兼有α型及β型钛合金的特点,有非常好的综合性能,应用最为广泛。

TC4钛合金的组成为Ti-6Al-4V,属于(α+β)型钛合金,具有良好的综合力学机械性能,比强度大、耐腐蚀性能优良,生物相容性好等而被广泛应用于航空航天、石油化工、生物医学等领域。本文对3D打印钛合金粉末几种主要的制备方法进行比较,选择 等离子旋转电极法制备钛合金粉末,并讨论了钛合金粉末成球机理,对其微观组织的演变规律进行了探索性研究,讨论了主要的热处理方法,为3D打印技术TC4钛合金的应用提供必要的理论基础。

3D打印材料TC4合金粉末的制备方法

3D打印按材料不同有不同类型,其中金属粉末作为3D打印的主要原料之一,需采用纯度较高的金属粉体作原料,粉体的相关参数如化学成分、颗粒形状、粒度大小及粒度分布、流动性等对3D打印成型的质量有很大影响。钛及钛合金材料以其特有的性 能,被制备成粉末后,满足3D打印金属材料的要求,但制备的难度也很大。目前,较为成熟的3D打印钛合金粉末制备的主要技术有:等离子旋转电极法、等离子丝材和气体雾化法等。

钛合金粉末经3D打印生产出来的产品,性能具有硬度高、热膨胀系数低和良好的耐腐蚀性等优点。

比较钛合金粉末主要的三种制备方法

1、等离子旋转电极法

此制备方法是电极用金属或合金制成,端面受电弧加热熔融为液体,在自身高速离心力作用下,将液体抛出粉碎为细小液滴,然后冷凝成粉末,这种工艺制备可以调整电极转速控制粉末粒径,是获得较为理想的球形粉末方式之一。具有球形度高,粉末流动性好,送装密度高,表面光洁等特点,打印过程控制可靠,不易产生析出性气体、裂纹等缺陷。但由于离心速度的限制,制得的钛合金粉末粒度较粗,且粒度分布区间相对集中,成本较高,生产率低。

2、等离子丝材雾化法

此制备方法是以不同的合金丝材为原料,经工艺加工为球形粉末方法。最早由加拿大Raymor公司自主开发,并拥有自主制造设备,在业内有一定的影响力。采用这种技术生产的球形粉末细粉具有出粉率高,杂质少,工作效率高等优点,适合钛合金粉末研制,但也有微量“卫星球”和极少量的粘附现象,对使用性能影响不明显。

3、气体雾化法

气体雾化法是借助高速气流来击碎金属液流,快速凝固后形成粉末的方法,此方法只需克服液体金属原子间作用力就能使之分散,任何能形成液体的材料基本上都可进行雾化,目前应用较多的有真空雾化法和惰性气体雾化法。气体雾化法制备的钛合金粉,具有快速凝固成型,粉末颗粒无空心、球形度较好等特点,但出粉率低,生产成本高。现阶段国内大多采用的雾化技术生产钛及钛合金粉末,出粉率都不高。

1.2 不同制备工艺比较

上述几种球形钛及钛合金粉末制备方法是当前国内外研究和生产试验的主流方向,第一种方法设备造价低,制得的钛合金粉末球形度好,但得到的粉末粒度较粗,这个可以通过调节参数控制粉末粒度的粗细。第三种制得的合金粉末球形度好粒度小,制备种类也较多,但国内应用技术还不是很成熟。气体雾化法粉末颗粒细,粉末含氧量低,对原料没有特殊要求,但生产成本较高。

几种制备方法各有优缺点,经分析比较,选用等离子旋转电极法雾化制备钛合金粉末,效果显著。

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