Titomic利用熱等靜壓技術(shù)提高增材制造鈦部件的材料性能

2023年8月29日，南極熊獲悉，先進(jìn)制造公司 Titomic正在利用熱等靜壓 (HIPing)技術(shù)幫助澳大利亞核科學(xué)技術(shù)組織 (ANSTO)改善增材制造鈦部件的材料性能。ANSTO 通過引入 HIP 技術(shù)來支持其創(chuàng)新的廢物處理工藝——ANSTO Synroc。

ANSTO Synroc Technologies 技術(shù)總監(jiān) Gerry Triani 說道：“ANSTO 在 HIP 領(lǐng)域擁有 30 多年的運(yùn)營專業(yè)知識(shí)，并管理著澳大利亞最大的 HIPing 設(shè)施。我們的能力包括在熱處理過程之前和之后對(duì)材料的性能進(jìn)行鑒定和表征，這對(duì)于制造業(yè)來說是一項(xiàng)非常有用的能力。”

Titomic 使用商業(yè)純鈦?zhàn)鳛榉勰┰�料，而不是鈦合金粉末，用于極端環(huán)境（例如航空航天部件）的近凈形狀產(chǎn)品的增材制造。

  

資料來源：ANSTO

熱等靜壓是一種通過減少孔隙率和細(xì)化微觀結(jié)構(gòu)來改善材料性能的制造工藝。它涉及在高溫下對(duì)材料施加惰性氣體壓力，以消除制造部件的閉孔。

鈦具有高強(qiáng)度重量比、良好的機(jī)械性能和優(yōu)異的耐腐蝕性，但難以加工成工程材料。純鈦原材料比鈦鋁合金粉末便宜得多，后者是通過氣霧化法生產(chǎn)的，通常呈球形。

前航空航天工程師、Titomic現(xiàn)任高級(jí)技術(shù)專家Neil Matthews AM說道：“鈦是一種非�；顫姷牟牧�，也是受其他元素影響最嚴(yán)重的材料之一，它對(duì)氧氣的影響特別敏感。我們一直在研究使用后處理和熱等靜壓處理，將鈦零件的孔隙率降低到百分之一以下，這與傳統(tǒng)生產(chǎn)的鈦鋁合金的標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)�！�

熱等靜壓處理前（左）和熱等靜壓處理后（右）的冷噴涂鈦樣品。

增材制造鈦部件的主要問題是作為層狀沉積堆積的一部分而產(chǎn)生的孔隙/空隙的形成。在高負(fù)載下，這些空隙會(huì)損害延展性（拉伸或彎曲的能力），進(jìn)而導(dǎo)致災(zāi)難性的斷裂模式。空隙的存在也會(huì)影響零件在循環(huán)載荷下的耐用性。Matthews說：“我們著眼于增材制造過程中所有參數(shù)、顆粒尺寸、顆粒速度以及后續(xù)機(jī)械行為的優(yōu)化�！�

他還表示：“在冷噴涂中使用不規(guī)則形狀而不是球形的顆粒可以提高構(gòu)建速度并減少空隙。因此，必須針對(duì)這些材料的工作條件來解決孔隙率問題�？障兜拇嬖谠黾恿硕鄠�(gè)裂紋萌生的可能性，這些裂紋可能結(jié)合在一起使零件變脆，從而損害結(jié)構(gòu)完整性。我們提供的鈦零件或維修件必須具有與傳統(tǒng)金屬生產(chǎn)熱處理工藝生產(chǎn)的零件相同的水平。我們的目標(biāo)是生產(chǎn)一種具有良好機(jī)械性能的材料，非常接近排名最高的鈦合金（例如 Ti64）所提供的標(biāo)準(zhǔn)�！�

ANSTO增材制造鈦部件的熱等靜壓處理過程中是在氬氣氣氛中進(jìn)行的，并對(duì)材料施加了最高可達(dá)200MPa 的壓力。

Matthews 擁有增材制造工藝相關(guān)驗(yàn)收和認(rèn)證方面的專業(yè)知識(shí)，他表示：“在 Titomic 優(yōu)化冷噴涂增材制造工藝以提供最大沉積效率和最大粘合強(qiáng)度之后，我們應(yīng)用熱處理來重新排列晶粒并改善微觀結(jié)構(gòu)，然后作為后處理步驟進(jìn)行 HIPing 以增加密度。了解后處理方法背后的科學(xué)問題對(duì)于行業(yè)監(jiān)管機(jī)構(gòu)和客戶來說非常重要。我們需要 ANSTO 材料科學(xué)家等專家來選擇參數(shù)，包括 HIPing 的溫度、壓力以及等溫保持時(shí)間�！�

增材制造中的孔隙生成和應(yīng)力誘導(dǎo)開裂問題也可以采用增材制造領(lǐng)域內(nèi)的其他后處理技術(shù)來解決。