鈦合金3D打印材料產(chǎn)能達(dá)30噸/年，航天海鷹冷坩堝真空感應(yīng)熔煉氣霧化制備球形TA15粉末

2019年10月，南極熊獲悉，航天海鷹(哈爾濱)鈦業(yè)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)海鷹哈鈦）創(chuàng)新性地采用冷坩堝真空感應(yīng)熔煉氣霧化技術(shù)，進(jìn)行了TA15鈦合金粉末生產(chǎn)。

TA15鈦合金的名義成分為T(mén)i-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，屬于高鋁當(dāng)量的近α型鈦合金。它即具有α型鈦合金良好的熱強(qiáng)性和可焊性，又具有近于α+β型鈦合金的工藝塑性。主要用于制造500℃以下長(zhǎng)時(shí)間工作的承力零件，如航天飛行器各種艙體、舵翼面、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道等。


隨著金屬3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展，TA15等新型鈦合金粉末需求量正逐步增加。由于鈦合金活性大，對(duì)球形鈦粉的生產(chǎn)技術(shù)要求較高，傳統(tǒng)的電極感應(yīng)熔煉氣霧化和旋轉(zhuǎn)電極霧化等制粉技術(shù)存在細(xì)粉率低、成本高、等離子鎢電極污染等問(wèn)題，限制了鈦粉的應(yīng)用推廣。

冷坩堝真空感應(yīng)熔煉氣霧化技術(shù)制備金屬3D打印粉末材料的優(yōu)勢(shì)

海鷹哈鈦，采用冷坩堝真空感應(yīng)熔煉氣霧化技術(shù)，成功生產(chǎn)制備出適合金屬3D打印工藝的TA15鈦合金粉末。該技術(shù)將水冷銅坩堝真空感應(yīng)懸浮熔煉技術(shù)與超聲速氣霧化技術(shù)相結(jié)合，其優(yōu)勢(shì)在于：
(1)采用水冷銅坩堝進(jìn)行合金熔煉，熔煉過(guò)程中熔體呈懸浮狀態(tài)，坩堝壁溫度處于冷態(tài)，熔體和坩堝壁間不會(huì)發(fā)生任何反應(yīng)，熔體無(wú)污染，制備的合金粉末純凈度高；
(2)合金熔煉過(guò)程中受電磁攪拌作用可以獲得均勻的熔體過(guò)熱度和化學(xué)成分，并且通過(guò)增加感應(yīng)線(xiàn)圈功率獲得較高過(guò)熱度的熔體，熔體霧化效果充分，細(xì)粉率較高。
(3)合金液熔煉后通過(guò)導(dǎo)流管形成細(xì)小連續(xù)的液流，被霧化噴嘴產(chǎn)生的高速氣流擊碎并凝固形成微細(xì)粉末顆粒，霧化過(guò)程穩(wěn)定連續(xù)，惰性氣體消耗低，粉末生產(chǎn)成本低。


△冷坩堝真空感應(yīng)熔煉氣霧化制粉技術(shù)示意圖

生產(chǎn)的TA15鈦合金粉末特點(diǎn)

采用冷坩堝真空感應(yīng)熔煉氣霧化技術(shù)生產(chǎn)的TA15鈦合金粉末具有低氧含量、高球形度、較高的松裝和振實(shí)密度等優(yōu)異性能。經(jīng)檢測(cè)，15-53μm粒徑范圍TA15粉末中值粒徑d50為35μm，含氧量小于1000ppm，松裝密度和振實(shí)密度分別達(dá)到2.3g/cm3和2.8g/cm3，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿(mǎn)足金屬3D打印工藝要求，綜合成本較低，可廣泛應(yīng)用于3D打印和粉末冶金領(lǐng)域。

TA15粉末的化學(xué)成分

元素	GB/T  3620-2016要求(wt/%)	檢測(cè)結(jié)果
Al	5.5-7.1	6.78
Zr	1.5-2.5	2.19
Mo	0.5-2.0	1.93
V	0.8-2.5	2.24
Si	≤0.15	0.01
Fe	≤0.25	0.046
C	≤0.08	0.023
O	≤0.15	0.094
N	≤0.05	0.012
H	≤0.015	0.0012
Ti	余量	余量
其他單一	≤0.1	≤0.1

△TA15鈦合金粉末形貌

通過(guò)對(duì)激光選區(qū)熔化成形(SLM)、電子束選區(qū)熔化成形(EBM)和激光熔化沉積(LENS)三種技術(shù)成形的TA15鈦合金零件進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果顯示試樣室溫強(qiáng)度和延伸率指標(biāo)與TA15鈦合金鍛件保持一致，500℃抗拉強(qiáng)度高于770MPa，滿(mǎn)足航空航天零件性能要求。

TA15粉末3D打印零件性能

成形工藝	試樣狀態(tài)		室溫力學(xué)性能
			抗拉強(qiáng)度/MPa	屈服強(qiáng)度/MPa		延伸率/%
激光選區(qū)熔化成形(SLM)	退火態(tài)		≥1150	≥1100		≥10
電子束選區(qū)熔化成形(EBM)	沉積態(tài)		≥1040	≥950		≥12
激光熔化沉積(LENS)	退火	≥1070		≥1000	≥8

航天海鷹(哈爾濱)鈦業(yè)有限公司成立于2013年，是中國(guó)航天科工集團(tuán)第三研究院下屬專(zhuān)業(yè)從事高端鈦合金產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)的鈦產(chǎn)業(yè)基地，公司采用先進(jìn)的冷坩堝真空感應(yīng)熔煉氣霧化制粉技術(shù)致力于生產(chǎn)滿(mǎn)足航空航天標(biāo)準(zhǔn)的高性能鈦合金粉末產(chǎn)品，目前已全面建成產(chǎn)能達(dá)到30噸/年的球形鈦合金粉末生產(chǎn)線(xiàn)，隨著海鷹哈鈦粉末生產(chǎn)線(xiàn)的建成投產(chǎn)，將顯著提高國(guó)內(nèi)高端鈦合金粉末研發(fā)制造水平，并推動(dòng)鈦合金3D打印和粉末冶金技術(shù)的快速發(fā)展。