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近净成形技术用钛合金粉末制备技术及特点

发布时间:2022-6-5 13:07 来源:陈小龙、梁祖磊(南京尚吉增材制造研究院有限公司、南京工业大学材料科学与工程学院)、王健、李永华、王红伟(南京尚吉增材制造研究院有限公司) 观看:

近净成形技术(Near net shape forming)是指成形件经少量加工乃至不加工,即可满足最终服役状态的尺寸要求。以钛及钛合金粉末作为原料,经粉末冶金近净成形技术制备的零部件具有低成本、高效、绿色环保等特点。如热等静压可以使材料致密度接近乃至达到100%,以消除内部缺陷,且能够实现制品成分的定制化、复杂零件直接成形以及较高的材料利用率(达到80%以上),广泛用于导弹尾翼、空气舵骨架、舵翼面等航空航天设备关键部件的加工制造。此外,借助激光选区熔化技术制备航空发动机燃烧室,能有效克服传统铸件连接口强度低的问题,展示出钛合金材料耐高温、高强度等优良性能。因此,相较于钛及钛合金制件的传统加工制造方式,近净成形技术在制备复杂钛合金制件方面具有突出的优势。

钛合金粉末主要通过雾化、球化、机械合金化、氢化脱氢等方法制备,为适应钛合金粉末近净成形技术的工艺特点,以提高粉末制品件的力学强度和塑性,近净成形技术多采用雾化法制得的球形粉末,典型的雾化制粉方法包括:气雾化法、等离子旋转电极雾化法、等离子雾化法制备的球形粉末。

一、气雾化法(GA)

气雾化法制备钛合金粉末技术原理如图1所示,借助高压惰性气体冲击熔融的钛合金液流,使之破碎成细小液滴,并在自身表面张力作用下完成球化,同时在强烈的热交换作用下实现快速凝固,最终收集到粉末颗粒。

(a)EIGA制粉技术原理示意图;(b)EIGA工艺下钛合金粉末微观形貌。

图1:EIGA制粉技术原理示意图及粉末SEM照片

根据钛合金熔液的获取方式不同,气雾化法制备钛合金方法可以分为电极感应熔炼气雾化(EIGA)和冷壁坩埚熔炼气雾化(VIGA-CC)。EIGA技术应用较为广泛,原理是利用锥形感应线圈对低速旋转钛合金棒料进行无接触式加热,形成液滴或液柱沿棒尖落下,被高速气流冲击雾化。该种方式制得粉末纯净度高,有效避免常规气雾化(VIGA)方式下陶瓷坩埚对熔体的污染,同时粉末粒度分布较宽,且细粉(不大于53 μm)收得率较高,球形度较好,但不可避免会存在卫星粉和空星粉问题,且惰性气体消耗量较大,适用于钛、锆等难熔活泼金属及其合金粉末的制备。该种气雾化技术由于细粉收得率可以达到40%以上,特别适用于增材制造(粉末床熔融工艺)及注射成形等工艺。

二、等离子旋转电极雾化法(PREP)

不同于气雾化法采用高压惰性气体作为雾化介质以提供制粉的动力来源,等离子旋转电极雾化法以高速旋转的钛合金棒料为自耗电极,利用高温等离子炬熔化棒料端部,产生的金属液被离心力甩出,并在飞行过程中完成细化、球化及冷却,得到低缺陷钛合金粉末,具有高球形度、高致密度、极少卫星粉等优点,但粒度分布较窄,且整体偏粗。

PREP制粉核心技术涉及等离子炬发生系统、棒料的传动系统等,根据等离子炬发生方式的不同,可以分为转移弧和非转移弧等离子炬,而后一种方式下,棒料仅作为制粉原材料,而非电极使用,有利于实现连续规模化生产[13]。制粉用棒料的质量保证是PREP方法制备钛合金粉末的关键环节,棒料的成分均匀性、尺寸精度对制粉过程及粉末品质均有重要影响。此外,PREP方法工艺参数(如转速、电流、材质等)同样对粉末理化特性(如流动性、松装密度、粒度分布、空心粉率等)有至关重要的影响。该类技术制备的钛合金粉末,由于球形度高,空心粉及卫星粉数量较少,较适用于增材制造(定向能量沉积工艺)及热等静压等工艺。

(a)PREP制粉技术原理示意图;(b)PREP工艺下钛合金粉末微观形貌。

图2:PREP制粉技术原理示意图及粉末SEM照片

三、等离子雾化法(PA)

与PREP技术有共同之处,等离子雾化法制备钛合金粉末同样采用非转移等离子炬作为热源,利用高温等离子火焰将钛合金丝材(约3 mm)熔化,同时熔液在惰性气体等离子射流冲击下被雾化,在飞行过程中冷却、凝固,获得高球形度的钛合金粉末,且细粉收得率显著高于PREP技术[10,12]。但与常规气雾化方法相比,PA、PREP方法由于熔化速率较低(通常小于0.5 kg/min,以TC4为例),生产效率相对较低,由此导致更高的使用成本,特别是在以细粒径作为目标粒度段的应用场景下。针对上述问题,有研究人员结合EIGA和PA的技术特点,提出丝材高频感应气雾化(WIGA)[15],通过高频感应线圈加热连续进给的钛丝,并配合超音速紧耦合雾化技术,实现连续化、高效率制备钛粉。该技术细粉收得率可以达到60%以上,空心粉及卫星粉数量较少,因此该类粉末较适用于增材制造(粉末床熔融工艺)及注射成形等工艺。

(a)PA制粉技术原理示意图;(b)PA工艺下钛合金粉末微观形貌。

图3:PA制粉技术原理示意图及粉末SEM照片

作为目前使用最为广泛的球形金属粉末制备方式,气雾化法(GA)制备钛及钛合金粉末具有产量大、成本低的优点;而等离子旋转电极雾化法(PREP)具备粉末品质高、粒度分布窄等优点,但受限于装备技术水平,细粉率收得率低;等离子雾化法(PA)制粉技术较好地兼顾了细粉率和粉末品质,但单台设备的生产效率有限。其他制粉技术也都各具特点,适用于不同的粉末产品及使用领域。

表1:典型钛及钛合金粉末近净成形技术对比

技术名称

特点

原料

热源

GA

生产效率相对较高

粉末粒度分布较宽、细粉率较高

卫星粉、空心粉、异形粉等缺陷较严重

预制母合金棒料

配料

感应加热

 

PREP

粉末粒度分布窄且偏粗

粉末品质高(球形度、致密度高,卫星粉极少)

预制母合金棒料

等离子炬

PA

粉末品质高

细粉收得率高

预制母合金丝材

等离子炬

针对钛及钛合金粉末近净成形工艺要求,适用的钛及钛合金粉末粒度范围有限,对粉末的纯度、形貌、致密度等也有要求。另外,原料粉末的使用成本也是钛及钛合金近净成形制件的制造成本的重要组成部分。因此,高效率、高出粉率、低缺陷是球形钛及钛合金粉末制备技术的重要发展趋势。

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