CN115821089B - 一种选区激光熔化成形用tc4钛合金粉末制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电极感应熔炼气雾化领域，具体是一种选区激光熔化成形用TC4钛合金粉末制备方法，其具体步骤如下：S1、TC4钛合金棒材的熔炼；S2、TC4钛合金粉末的制备；S3、TC4钛合金粉末初步筛分；S4、TC4钛合金粉末细筛；S5、SLM成形用粉不同粒径分布再配比；S6、检测步骤S4和S5得到的TC4钛合金粉末性能；基于优化后的喷盘结构，结合对雾化仓真空度、熔炼功率、雾化压力、以及棒料转速和进给速度类参数的匹配控制，实现高质量TC4钛合金粉末的制备，形成了一种针对SLM成形用TC4钛合金粉末的粒径分布再配比方法，明确了各粒径范围的粉末质量占比，获得了具有优良流动性能的TC4钛合金粉末。
Description
技术领域
本发明涉及电极感应熔炼气雾化领域，具体是一种选区激光熔化成形用TC4钛合金粉末制备方法。
背景技术
选区激光熔化(SLM)技术是一种基于激光熔化金属粉末的快速成型技术，能直接制造具有冶金结合、组织致密、机械性能良好、高精度的金属零件。SLM技术主要成形过程包括：零件三维建模及切片分层、高能量激光束根据分层轮廓数据选择性熔化金属粉末、逐层铺粉熔化堆积实现三维实体零件的制造。SLM成形技术突破了传统制造工艺的减材成形及变形成形的常规思路，根据零件三维数模，无需任何工装夹具和模具，利用金属粉末直接实现零件的“净成形”，有效解决了传统工艺如锻造、铸造、焊接等针对零件复杂位置加工可达性差的问题。该技术可以制造高致密度且具有复杂精细几何结构的金属零件，相关制品已在生物医疗、航空航天、模具制造等领域获得相关应用，是金属增材制造领域的前沿技术。
TC4钛合金因其优良的耐蚀性、较高的比强度以及较好的韧性和焊接性等特点，在航空发动机叶片、飞机的纵梁、肋及接头等零部件的制造中被广泛应用。随着航空工业的快速发展，对航空用TC4钛合金零件的研制生产提出了更高的要求。为了保障航空装备的服役需求，除了考量零件的加工周期、加工成本及加工性能之外，对复杂构型部附件也提出了一体化成形的要求，而SLM技术以其短周期、快响应及高精度等特点，在航空装备TC4钛合金零件的研制生产中展现出了显著优势。
作为SLM技术的关键原材料，高质量金属粉末的生产是SLM技术产业链的核心。而钛合金因熔点高、氧敏感度高等特点，致其合金粉末制备难度较大，同时面对国际相关领域内的技术壁垒，国内粉末制备技术发展缓慢，在金属粉末制备方面，普遍存在细粉收得率低、粉末粒度分布均匀性差、流动性差等问题。而针对航空装备的服役特点，对金属粉末的质量提出了更为严苛的要求，现有粉末制备工艺难以满足航空用材的高质量要求。
电极感应熔炼气雾化(EIGA)技术是将预制合金棒作为电极，通过感应熔炼线圈和高速惰性气体，将旋转的棒料电极熔化并雾化的过程。该技术制备的金属粉末具有纯净度高、球形度高、粒径分布范围广、细粉收得率高等特点。但针对SLM技术成形用粉，目前通常直接限定金属粉末粒径范围为15～53μm，而并未对粉末粒径分布占比做出要求，存在打印产品存在缺陷率高、批次分散性大等问题，严重影响了SLM技术工程化应用的推进。因此，形成一种稳定、高效且具有完全自主知识产权的的TC4钛合金粉末制备方法，对于推进SLM技术在航空领域的应用进展，具有重要的经济和工程应用价值。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种选区激光熔化成形用TC4钛合金粉末制备方法。
一种选区激光熔化成形用TC4钛合金粉末制备方法，其具体步骤如下：
S1、TC4钛合金棒材的熔炼：采用真空自耗电弧炉熔炼法进行TC4钛合金棒材制备工作；
S2、TC4钛合金粉末的制备：采用EIGA法制备TC4钛合金粉末；
S3、TC4钛合金粉末初步筛分：
a、采用气流分级机进行TC4钛合金粉末粗、细粉的初步分离；
b、采用超声振动筛筛选出15～53μm粒径范围的粉末，并转入下一步骤。
S4、TC4钛合金粉末细筛：
a、在氩气氛围保护下，分别采用20、30和40μm的筛网对15～53μm的TC4粉末进行筛分；
b、得到粒径分别在15～20μm、20～30μm、30～40μm、40～53μm范围的四组TC4钛合金粉末；
S5、SLM成形用粉不同粒径分布再配比：考虑外在因素，对SLM用粉的粒径分布重新配比；
S6、检测步骤S4和S5得到的TC4钛合金粉末性能：分别检测粉末的特性参数，形成针对SLM成形用TC4钛合金粉末特性数据库。
所述的步骤S1的熔炼全过程在高纯氩气保护氛围下进行，同时辅以搅拌和外部超声振动来改善熔炼过程出现的成分偏析现象。
所述的步骤S2中EIGA法的参数范围为：真空度：＜0.5Pa、熔炼功率：30～60KW、雾化压力：1～10MPa、雾化角度：30～40°、棒料转速：20～40rpm、进给速度：0.5～0.8mm/s。
所述的步骤S3的a中，粗粉为15μm以上的金属粉末。
所述的步骤S5的外在因素具体为：粉末的流动性、粉末对激光能量的吸收率、SLM成形过程烟尘和粉末飞溅现象的产生类。
所述的步骤S5的配比对15～20μm、20～30μm、30～40μm、40～53μm四组粉末的重量比为(0～1):(2～4)：(3～5)：(1～3)，再配比TC4合金粉末粒径分布为，D10：15～20μm、D50：25～30μm、D90：50～53μm。
所述的步骤S6的特性参数为化学成分、霍尔流速、松装密度、振实密度、粒径分布范围类。
本发明的有益效果是：基于优化后的喷盘结构，结合对雾化仓真空度、熔炼功率、雾化压力、以及棒料转速和进给速度类参数的匹配控制，实现高质量TC4钛合金粉末的制备，形成了一种针对SLM成形用TC4钛合金粉末的粒径分布再配比方法，明确了各粒径范围的粉末质量占比，获得了具有优良流动性能的TC4钛合金粉末，建立了针对SLM成形用TC4钛合金粉末制备及粉末特性数据库，形成用于指导SLM成形用TC4钛合金粉末优选的规范。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的流程结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。
如图1所示，一种选区激光熔化成形用TC4钛合金粉末制备方法，其具体步骤如下：
S1、TC4钛合金棒材的熔炼：采用真空自耗电弧炉熔炼法进行TC4钛合金棒材制备工作；
S2、TC4钛合金粉末的制备：采用EIGA法制备TC4钛合金粉末；
S3、TC4钛合金粉末初步筛分：
a、采用气流分级机进行TC4钛合金粉末粗、细粉的初步分离；
b、采用超声振动筛筛选出15～53μm粒径范围的粉末，并转入下一步骤。
S4、TC4钛合金粉末细筛：
a、在氩气氛围保护下，分别采用20、30和40μm的筛网对15～53μm的TC4粉末进行筛分；
b、得到粒径分别在15～20μm、20～30μm、30～40μm、40～53μm范围的四组TC4钛合金粉末；
S5、SLM成形用粉不同粒径分布再配比：考虑外在因素，对SLM用粉的粒径分布重新配比；
S6、检测步骤S4和S5得到的TC4钛合金粉末性能：分别检测粉末的特性参数，形成针对SLM成形用TC4钛合金粉末特性数据库，用于指导日后SLM成形用TC4钛合金粉末的优选，以及根据SLM成形情况对粉末制备方法和粒径分布再配比类进行迭代优化。
基于优化后的喷盘结构，结合对雾化仓真空度、熔炼功率、雾化压力、以及棒料转速和进给速度类参数的匹配控制，实现高质量TC4钛合金粉末的制备，形成了一种针对SLM成形用TC4钛合金粉末的粒径分布再配比方法，明确了各粒径范围的粉末质量占比，获得了具有优良流动性能的TC4钛合金粉末，建立了针对SLM成形用TC4钛合金粉末制备及粉末特性数据库，形成用于指导SLM成形用TC4钛合金粉末优选的规范。
所述的步骤S1严格按照GJB 2218A-2018《航空用钛及钛合金棒材和锻坯规范》对熔炼过程进行控制，熔炼全过程在高纯氩气保护氛围下进行，同时辅以搅拌和外部超声振动来改善熔炼过程出现的成分偏析现象。
所述的步骤S2通过对雾化喷嘴的优化，结合本发明匹配工艺参数包括雾化舱真空度、感应功率、雾化压力、雾化角度、以及棒料转速和进给速度类的严格控制，实现高质量TC4钛合金粉末的制备，EIGA法的参数范围为：真空度：＜0.5Pa、熔炼功率：30～60KW、雾化压力：1～10MPa、雾化角度：30～40°、棒料转速：20～40rpm、进给速度：0.5～0.8mm/s。
所述的步骤S3的a中，粗粉为15μm以上的金属粉末。
所述的步骤S5的外在因素具体为：粉末的流动性、粉末对激光能量的吸收率、SLM成形过程烟尘和粉末飞溅现象的产生类。
具体的，本发明涉及的电极感应熔炼气雾化法制备的TC4钛合金粉末，相比改进前，制粉效率提高10％以上，不规则碎片、大颗粒类减少15％以上，细粉收得率达到30％以上，具体试验数据如下：
通过对雾化仓真空度、熔炼功率、雾化压力、以及棒料转速和进给速度等参数的匹配控制，单根TC4钛合金棒材的熔炼制粉时间平均节省达10.7％。
对于制粉过程中产生的不规则碎片、大颗粒类，具体试验数据如下：
对于制粉过程产生的不规则碎片等附属产物有效减少，平均减重比达16.4％。
针对选区激光熔化用TC4钛合金粉末，具体试验数据如下：
针对选区激光熔化用TC4钛合金粉末，平均收得率显著提高达30.54％。
工艺改进后，可以有效提高电极感应熔炼气雾化法制备TC4钛合金金属粉末的效率，对于科研研究和工程应用均有重要的意义。该发明内容可推广至但不限于钛合金系列材料的粉末制备工艺。
所述的步骤S5的配比对15～20μm、20～30μm、30～40μm、40～53μm四组粉末的重量比为(0～1):(2～4)：(3～5)：(1～3)，再配比TC4合金粉末粒径分布为，D10：15～20μm、D50：25～30μm、D90：50～53μm。
具体的，本发明涉及的针对SLM成形用TC4钛合金粉末粒径分布再配比方法，将松装密度提高至2.8g/cm3(平均水平2.5)，将振实密度提高至3.0g/cm3，平均水平2.8，具体试验数据如下：
对制备的针对SLM工艺粒径范围的粉末进行再配比后，显著改善了TC4合金粉末的流动性，再配比后松装密度平均值达2.81g/cm3，振实密度平均值达3.01g/cm3，粉末流动特性的提高，可以有效解决SLM成形过程中粉床铺粉均匀性差的问题，进而保证粉床吸收激光能量的均匀性，从而降低SLM成形过程应力对零件的影响，提高打印质量。
所述的步骤S6的特性参数为化学成分、霍尔流速、松装密度、振实密度、粒径分布范围类。
上述涉及到的粉末筛分及再配比过程均在氩气氛围保护下进行。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种选区激光熔化成形用TC4钛合金粉末制备方法，其特征在于：其具体步骤如下：
S1、TC4钛合金棒材的熔炼：采用真空自耗电弧炉熔炼法进行TC4钛合金棒材制备工作；
S2、TC4钛合金粉末的制备：采用EIGA法制备TC4钛合金粉末；
S3、TC4钛合金粉末初步筛分：
a、采用气流分级机进行TC4钛合金粉末粗、细粉的初步分离；
b、采用超声振动筛筛选出15~53μm粒径范围的粉末，并转入下一步骤；
S4、TC4钛合金粉末细筛：
a、在氩气氛围保护下，分别采用网孔大小为20μm、30μm和40μm的筛网对15~53μm的TC4粉末进行筛分；
b、得到粒径分别在15~20μm、20~30μm、30~40μm、40~53μm范围的四组TC4钛合金粉末；
S5、SLM成形用粉不同粒径分布再配比：考虑外在因素，对SLM用粉的粒径分布重新配比；
S6、检测步骤S4和S5得到的TC4钛合金粉末性能：分别检测粉末的特性参数，形成针对SLM成形用TC4钛合金粉末特性数据库；用于指导日后SLM成形用TC4钛合金粉末的优选，以及根据SLM成形情况对粉末制备方法和粒径分布再配比类进行迭代优化；
所述的步骤S5的外在因素具体为：粉末的流动性、粉末对激光能量的吸收率、SLM成形过程烟尘和粉末飞溅现象的产生类；所述的步骤S5的配比对15~20μm、20~30μm、30~40μm、40~53μm四组粉末的重量比为（0~1）:（2~4）：（3~5）：（1~3），再配比TC4合金粉末粒径分布为，D10：15~20μm、D50：25~30μm、D90：50~53μm；所述的步骤S2中EIGA法的参数范围为：真空度：＜0.5Pa、熔炼功率：30~60kW、雾化压力：1~10MPa、雾化角度：30~40°；所述的步骤S2中EIGA法的参数范围还包括：棒料转速：20~40rpm、进给速度：0.5~0.8mm/s；
所述的步骤S3的a中，粗粉为15μm以上的金属粉末。
2.根据权利要求1所述的一种选区激光熔化成形用TC4钛合金粉末制备方法，其特征在于：所述的步骤S1的熔炼全过程在高纯氩气保护氛围下进行。
3.根据权利要求2所述的一种选区激光熔化成形用TC4钛合金粉末制备方法，其特征在于：所述的步骤S1的熔炼全过程中同时辅以搅拌和外部超声振动来改善熔炼过程出现的成分偏析现象。
4.根据权利要求1所述的一种选区激光熔化成形用TC4钛合金粉末制备方法，其特征在于：所述的步骤S6的特性参数为化学成分、霍尔流速、松装密度、振实密度、粒径分布范围类。
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