全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展模式，堅(jiān)持走工程化應(yīng)用路線 ——賽隆Ti48Al2Cr2Nb發(fā)展歷程

導(dǎo)讀：鈦鋁合金具有耐高溫、抗氧化和密度低的特點(diǎn)，且其彈性模量、抗蠕變性能與鎳基高溫合金相當(dāng)，密度還不到鎳基合金的一半，其使用溫度可望達(dá)到900℃ 以上，是600～900℃替代傳統(tǒng)的超合金，實(shí)現(xiàn)減重的理想材料，被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的高溫結(jié)構(gòu)材料之一，在航空航天和汽車工業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

應(yīng)用背景
目前國(guó)外在電子束選區(qū)熔化成形復(fù)雜鈦鋁合金構(gòu)件方面開展了大量的研究，早在2005年，美國(guó)北卡州立大學(xué)就公開報(bào)道了電子束選區(qū)熔化鈦鋁合金的組織結(jié)構(gòu)，隨后美國(guó)德克薩斯州立大學(xué)、瑞典Arcam公司和意大利Avio公司也相繼開展了電子束選區(qū)熔化成形鈦鋁合金的研究，特別是意大利Avio公司在電子束選區(qū)熔化成形復(fù)雜鈦鋁構(gòu)件的工程化應(yīng)用研究方面處于世界領(lǐng)先水平，目前該公司已經(jīng)成功開發(fā)出多種鈦鋁復(fù)雜構(gòu)件電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)。

據(jù)報(bào)道，意大利Avio公司電子束選區(qū)熔化鈦鋁合金葉片已經(jīng)進(jìn)入批量生產(chǎn)階段，目標(biāo)年產(chǎn)6萬(wàn)片葉片。 2012年，美國(guó)通用電氣公司斥資43億美元收購(gòu)了意大利Avio公司的航空業(yè)務(wù)，主要瞄準(zhǔn)電子束3D打印鈦鋁葉片；2016年斥資7.6億美元全資收購(gòu)了電子束3D打印技術(shù)與裝備的國(guó)際龍頭企業(yè)—瑞典Arcam公司，包括旗下的全球3D打印粉末原料主要生產(chǎn)商：加拿大AP&C公司，掌控了SEBM打印原料、工藝裝備和工程應(yīng)用全鏈條的核心技術(shù)。
賽隆Ti48Al2Cr2Nb發(fā)展歷程與規(guī)劃
1、多次嘗試與改進(jìn)，堅(jiān)持開發(fā)穩(wěn)定可控原材料
在原料棒材熔煉方面，考慮到電子束3D打印成形過(guò)程中粉末中Al元素易燒損，穩(wěn)定強(qiáng)化元素Nb的含量不易準(zhǔn)確控制以及雜質(zhì)元素不易精準(zhǔn)控制，賽隆金屬技術(shù)團(tuán)隊(duì)利用西北有色金屬研究院在鈦合金熔煉技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)不斷成分設(shè)計(jì)優(yōu)化，多次重熔與反復(fù)檢測(cè)，保證了原材料棒材主元素成分的精確控制和低雜質(zhì)含量，也成功實(shí)現(xiàn)從熔煉錠到合金棒材的大批量穩(wěn)定生產(chǎn)。

表1某批次原材料棒材成分

化學(xué)成分（Wt.%）	元素	Al	Cr	Nb	C	H	O	N	余量
	實(shí)測(cè)	35.42	2.28	4.80	0.019	0.0021	0.034	＜0.003	Ti

在制粉過(guò)程中，賽隆金屬采取了兩種工藝技術(shù)路線：真空電極感應(yīng)霧化（EIGA）技術(shù)和等離子旋轉(zhuǎn)電極（PREP）技術(shù)。
路線一：EIGA工藝（使用設(shè)備：ALD公司的EIGA 50設(shè)備）

△圖1 電極感應(yīng)霧化基本原理示意圖

表2 賽隆采用EIGA技術(shù)制備的Ti48Al2Cr2Nb粉末成分

化學(xué)成分（Wt.%）	元素	Al	Cr	Nb	C	H	O	N	余量
	實(shí)測(cè)	33.4～35.6	2.45～2.60	4.5～5.0	≤0.007	≤0.003	≤0.068	≤0.003	Ti

△圖2 賽隆采用EIGA技術(shù)制備Ti48Al2Cr2Nb粉末形貌

表3 Ti48Al2Cr2Nb粉末基本物理性能

化學(xué)成分（Wt.%）	元素	Al	Cr	Nb	C	H	O	N	余量
	實(shí)測(cè)	33.4～35.6	2.45～2.60	4.5～5.0	≤0.007	≤0.003	≤0.068	≤0.003	Ti

路線二：PREP工藝（使用設(shè)備：賽隆自主開發(fā)的PREP  SLPA-H設(shè)備）

△圖3等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化基本原理示意圖

表4 賽隆采用PREP技術(shù)制備Ti48Al2Cr2Nb粉末成分

化學(xué)成分（Wt.%）	元素	Al	Cr	Nb	C	H	O	N	余量
	實(shí)測(cè)	33.5～35.0	2.30～2.48	4.61～5.1	≤0.011	≤0.001	≤0.060	≤0.003	Ti

△圖4 賽隆采用PREP技術(shù)制備Ti48Al2Cr2Nb粉末形貌

表5 Ti48Al2Cr2Nb粉末基本物理性能

流動(dòng)性	松裝密度	振實(shí)密度
≤29s/50g	≥2.38g/cm3	≥2.49g/cm3

賽隆金屬已經(jīng)分別采用上述兩種工藝實(shí)現(xiàn)了Ti48Al2Cr2Nb粉末的大批量生產(chǎn)和供應(yīng)，粉末已經(jīng)被多家企業(yè)、高校、研究所、航天航空單位批量使用并驗(yàn)證。粉末氧含量控制方面，采用EIGA技術(shù)制備的Ti48Al2Cr2Nb粉末氧含量有待進(jìn)一步降低，目前部分批次氧含量已經(jīng)可以控制到650ppm以下，而采用PREP技術(shù)制備的Ti48Al2Cr2Nb粉末氧含量已經(jīng)可以穩(wěn)定控制在600ppm左右。另外利用同步輻射光源對(duì)兩種技術(shù)制備的粉末空心粉率進(jìn)行了研究統(tǒng)計(jì)，目前EIGA技術(shù)制備的Ti48Al2Cr2Nb粉末空心粉率約是PREP技術(shù)制備的Ti48Al2Cr2Nb粉末空心率的3～4倍。

2、國(guó)產(chǎn)裝備與工藝，堅(jiān)定不移走自主開發(fā)路線
在保證合格的原料粉末的前提下，另外一個(gè)需要解決的“卡脖子”關(guān)鍵問(wèn)題是成形裝備和成形工藝，目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上從事粉床電子束3D打印設(shè)備開發(fā)的廠家主要有瑞典的GE Additive Arcam 和Freemelt、日本的Tada Electric、中國(guó)的西安賽隆和天津清研智束等公司，但國(guó)外裝備對(duì)自身核心技術(shù)完全封鎖，面向用戶不開源，同時(shí)限定及綁定了諸多條款，用戶只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的制造，很難走向自主創(chuàng)新創(chuàng)造。
目前賽隆金屬電子束3D打印成形Ti48Al2Cr2Nb的裝備擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，其中最核心的電子槍系統(tǒng)，裝備控制軟件及模型剖分、路徑規(guī)劃軟件，開源可調(diào)可控的材料成形工藝等均為自主設(shè)計(jì)開發(fā)。

△圖5賽隆金屬粉床電子束3D打印裝備

以自主開發(fā)的粉末原料和裝備為基礎(chǔ)，賽隆金屬經(jīng)過(guò)3年多不斷摸索和嘗試，從穩(wěn)固粉床到成形精度控制，到內(nèi)部冶金質(zhì)量控制及打印路徑和支撐優(yōu)化等問(wèn)題，再到最終的葉片等零部件成形及熱處理和后續(xù)表面精整工作，經(jīng)歷了重重考驗(yàn)，最終成功開發(fā)出Ti48Al2Cr2Nb穩(wěn)定打印工藝包。

△圖6 賽隆電子束3D打印Ti48Al2Cr2Nb試驗(yàn)件實(shí)物

△圖7 熱等靜壓態(tài)微觀組織

以熱等靜壓后處理過(guò)程為例，通過(guò)優(yōu)化熱等靜壓工藝，使Ti48Al2Cr2Nb試件的組織更一步均勻化和致密化，如圖7所示。

表6 賽隆采用EIGA技術(shù)Ti48Al2Cr2Nb粉末打印的力學(xué)性能數(shù)據(jù)

溫度	屈服強(qiáng)度（Mpa）	抗拉強(qiáng)度（Mpa）	延伸率(%)
室溫	≥360	≥420	≥1.0
650℃	≥320	≥380	≥1.2

表7 賽隆采用PREP技術(shù)Ti48Al2Cr2Nb粉末打印的力學(xué)性能數(shù)據(jù)

溫度	屈服強(qiáng)度（Mpa）	抗拉強(qiáng)度（Mpa）	延伸率(%)
室溫	≥400	≥455	≥1.2
650℃	≥350	≥410	≥1.4

截止目前，公司自身不斷優(yōu)化工藝已經(jīng)累計(jì)消耗超過(guò)1.5噸粉末，并且超過(guò)500爐次打印，目前每爐次試驗(yàn)棒穩(wěn)定性極高，不同擺放方式，擺放位置，不同爐次之間力學(xué)性能誤差≤5%。

3、開放、融合、合作，堅(jiān)定產(chǎn)業(yè)化決心不變
2020年，在國(guó)家重大項(xiàng)目的支持下，由西北有色金屬研究院粉末冶金研究所牽頭，賽隆金屬配合實(shí)施產(chǎn)業(yè)化戰(zhàn)略，制定了基于公司層面的十四五規(guī)劃，其中一條重要方向是堅(jiān)定將鈦鋁類金屬間化合物的3D打印由研發(fā)轉(zhuǎn)向中試并走向產(chǎn)業(yè)化。公司計(jì)劃規(guī)劃電子束3D打印生產(chǎn)線40余條，目前15條已經(jīng)調(diào)試運(yùn)行完畢。除穩(wěn)定庫(kù)存≥5噸檢驗(yàn)合格的Ti48Al2Cr2Nb棒材以快速響應(yīng)制粉之外，賽隆金屬常備庫(kù)存還有Ti22Al25Nb、Ti45Al8Nb等牌號(hào)粉末，也可以為用戶提供定制牌號(hào)鈦鋁金屬間化合物粉末并進(jìn)行電子束3D打印工藝驗(yàn)證。

以下為賽隆金屬利用自主開發(fā)的PREP技術(shù)粉末+EBM技術(shù)打印的部分零件實(shí)物圖：

            

高壓渦輪葉片

低壓渦輪葉片

噴管

4、征途漫漫，道阻且長(zhǎng)，任重道遠(yuǎn)
2020年9月28日，GE航空宣布GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)獲得美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）的認(rèn)證，這是GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)為777X系列飛機(jī)提供動(dòng)力的關(guān)鍵里程碑。目前該發(fā)動(dòng)機(jī)具有300多個(gè)增材制造零件，其中鈦鋁低壓渦輪葉片屬于其中之一。截至目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于電子束選區(qū)熔化成形過(guò)程中組織的形成機(jī)理及同步控制技術(shù)還缺少系統(tǒng)的研究，成形鈦鋁合金力學(xué)性能距離鍛件水平還存在較大差距，針對(duì)電子束選區(qū)熔化成形鈦鋁合金零件，尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片的工程化應(yīng)用研究基本沒(méi)有。從基礎(chǔ)成分、成形工藝、后續(xù)處理研究到最終的裝機(jī)驗(yàn)證、批量化工程應(yīng)用，賽隆金屬誠(chéng)摯希望聯(lián)合國(guó)內(nèi)高校、研究所、航空航天等應(yīng)用單位共同努力，開發(fā)合作，共同推進(jìn)該產(chǎn)業(yè)以及技術(shù)的進(jìn)步。

歡迎對(duì)鈦鋁合金系列（Ti48Al2Cr2Nb、Ti22Al25Nb、Ti45Al8Nb）感興趣朋友前來(lái)交流（球形鈦鋁粉末、電子束3D打印工藝研究、樣件裝機(jī)考核驗(yàn)證、等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉與電子束3D打印裝備……）

備注：所有數(shù)據(jù)及圖片版權(quán)屬于賽隆金屬所有，侵權(quán)必究，如需轉(zhuǎn)載，請(qǐng)聯(lián)系：賽隆金屬（029-86232183）

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