國產(chǎn)高溫鈦合金3D打印材料新發(fā)展，海鷹哈鈦TA32成功研制

南極熊了解到，2020年3月，中國航天科工集團(tuán)第三研究院下屬專業(yè)從事高端鈦合金產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)基地——航天海鷹(哈爾濱)鈦業(yè)有限公司(以下簡稱海鷹哈鈦)完成了TA32高溫鈦合金粉末研制和TA32粉末的激光選區(qū)熔化成形(SLM)參數(shù)優(yōu)化工作，進(jìn)一步促進(jìn)了我國高溫鈦合金增材制造技術(shù)發(fā)展。

△冷坩堝真空感應(yīng)熔煉氣霧化制粉工藝VIGA-CC

近年來，隨著航空航天事業(yè)的迅猛發(fā)展，特別是航空發(fā)動(dòng)機(jī)、高超聲速飛行器的發(fā)展，對鈦合金材料的需求量也在急劇增加。為了進(jìn)一步減輕重量、提高飛行器的推重比，鈦合金被越來越多地應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)輪盤、葉片、整體葉盤、機(jī)匣和轉(zhuǎn)子，以及導(dǎo)彈舵翼骨架、艙體、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道等零件的制造中。航空航天飛行器性能的不斷提升對鈦合金的使用溫度提出了更高的要求，對高溫鈦合金的研發(fā)迫在眉睫。

TA32鈦合金，其名義成分為Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Mo-0.5Nb-0.7Ta-0.3Si，是我國最新研制的一種新型近α型鈦合金，該材料在550℃高溫下仍具有良好的蠕變與持久性能，有望代替部分鋼或鎳基高溫合金材料。短時(shí)服役溫度可達(dá)600℃，具有良好的拉伸、疲勞和蠕變等綜合力學(xué)性能。海鷹哈鈦公司針對TA32鈦合金系統(tǒng)性地開展了粉末制備技術(shù)和激光選區(qū)熔化成形技術(shù)研究工作。

增材制造TA32鈦合金粉末研制

海鷹哈鈦公司采用水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉氣霧化制粉技術(shù)完成TA32鈦合金粉末研制，原理是采用電磁感應(yīng)加熱作用實(shí)現(xiàn)水冷銅坩堝內(nèi)鈦合金棒材的熔煉，通過底注的方式使熔化的金屬液進(jìn)入導(dǎo)流管形成穩(wěn)定細(xì)小的液流，當(dāng)合金液流通過導(dǎo)流嘴流經(jīng)霧化噴嘴時(shí)，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，具有生產(chǎn)效率高、細(xì)粉收得率高等優(yōu)點(diǎn)。

經(jīng)檢測，采用該技術(shù)生產(chǎn)的TA32鈦合金粉末具有高純凈度、高球形度、高流動(dòng)性、高松裝密度等優(yōu)異性能。對15-53μm粒徑范圍的TA32進(jìn)行各項(xiàng)性能檢驗(yàn)，粉末氧含量1000ppm、氮含量190ppm、氫含量50ppm，各種雜質(zhì)元素含量遠(yuǎn)低于GB/T3620.1-2016標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求。對粉末物理性能進(jìn)行了測試，TA32粉末中值粒徑d50為36μm、松裝密度為2.4g/cm3、霍爾流速為45s/50g，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足金屬3D打印工藝要求。

△TA32粉末化學(xué)成分檢測結(jié)果


TA32鈦合金粉末激光選區(qū)熔化成形性能

通過控制激光能量密度對TA32鈦合金粉末進(jìn)行了不同工藝參數(shù)下的激光選區(qū)熔化3D打印成形試驗(yàn)，金相檢測結(jié)果表明TA32粉末激光選區(qū)熔化成形試件的晶粒尺寸較為細(xì)小，無明顯的裂紋、孔洞等缺陷。進(jìn)一步對試件進(jìn)行力學(xué)性能檢測，結(jié)果顯示試樣室溫抗拉強(qiáng)度和延伸率達(dá)到1200MPa和8%。試件在500℃、550℃和600℃高溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到867MPa、819MPa和712MPa；塑性值達(dá)到14.4%、15.9%和17.0%，具有優(yōu)異的力學(xué)性能。

△TA32激光成形試樣金相組織

△TA32粉末激光選區(qū)熔化成形力學(xué)性能

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(tuán)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(jì)、制造、服務(wù)的鈦產(chǎn)業(yè)基地。公司主營業(yè)務(wù)包括鈦合金精密鑄造、鈦合金塑性成型、鈦合金粉末制備與3D打印、系統(tǒng)集成及加工等。公司自2018年起持續(xù)開展了大量的TA32高溫鈦合金粉末增材制造技術(shù)研究工作，采用激光選區(qū)熔化成形技術(shù)進(jìn)行高溫鈦合金零部件的快速研制，具有提高材料力學(xué)性能、節(jié)省模具成本和加工周期、提高材料利用率等優(yōu)勢，相關(guān)研究成果預(yù)期在航空航天、艦船和化工領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，能夠進(jìn)一步促進(jìn)高溫鈦合金材料增材制造技術(shù)的推廣應(yīng)用。