鈦合金3D打印材料產(chǎn)能達30噸/年，航天海鷹冷坩堝真空感應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（以下簡稱海鷹哈鈦）創(chuàng)新性地采用冷坩堝真空感應熔煉氣霧化技術(shù)，進行了TA15鈦合金粉末生產(chǎn)。

TA15鈦合金的名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，屬于高鋁當量的近α型鈦合金。它即具有α型鈦合金良好的熱強性和可焊性，又具有近于α+β型鈦合金的工藝塑性。主要用于制造500℃以下長時間工作的承力零件，如航天飛行器各種艙體、舵翼面、發(fā)動機進氣道等。


隨著金屬3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應用發(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，對球形鈦粉的生產(chǎn)技術(shù)要求較高，傳統(tǒng)的電極感應熔煉氣霧化和旋轉(zhuǎn)電極霧化等制粉技術(shù)存在細粉率低、成本高、等離子鎢電極污染等問題，限制了鈦粉的應用推廣。

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

海鷹哈鈦，采用冷坩堝真空感應熔煉氣霧化技術(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)勢在于：
(1)采用水冷銅坩堝進行合金熔煉，熔煉過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發(fā)生任何反應，熔體無污染，制備的合金粉末純凈度高；
(2)合金熔煉過程中受電磁攪拌作用可以獲得均勻的熔體過熱度和化學成分，并且通過增加感應線圈功率獲得較高過熱度的熔體，熔體霧化效果充分，細粉率較高。
(3)合金液熔煉后通過導流管形成細小連續(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粉末顆粒，霧化過程穩(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

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

TA15粉末的化學成分

元素	GB/T  3620-2016要求(wt/%)	檢測結(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

通過對激光選區(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鈦合金零件進行力學性能測試，結(jié)果顯示試樣室溫強度和延伸率指標與TA15鈦合金鍛件保持一致，500℃抗拉強度高于770MPa，滿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)		室溫力學性能
			抗拉強度/MPa	屈服強度/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，是中國航天科工集團第三研究院下屬專業(yè)從事高端鈦合金產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計、制造、服務的鈦產(chǎn)業(yè)基地，公司采用先進的冷坩堝真空感應熔煉氣霧化制粉技術(shù)致力于生產(chǎn)滿足航空航天標準的高性能鈦合金粉末產(chǎn)品，目前已全面建成產(chǎn)能達到30噸/年的球形鈦合金粉末生產(chǎn)線，隨著海鷹哈鈦粉末生產(chǎn)線的建成投產(chǎn)，將顯著提高國內(nèi)高端鈦合金粉末研發(fā)制造水平，并推動鈦合金3D打印和粉末冶金技術(shù)的快速發(fā)展。