航空高強β鈦合金增材制造原材料國產化突破：PREP法制備TB6鈦合金粉末的粒徑可控性、衛星粉抑制技術及面向選區激光熔化/電子束熔化成形的工藝適配性研究

TB6鈦合金作為β型鈦合金，具有高比強度、比剛度和良好的耐蝕性，滿足了飛機高機動性、高可靠性和長壽命的設計要求，其應用水平已成為衡量飛機選材先進程度的一個重要標志[1]。目前國內主要采用鑄造、鍛造結合機械加工的方法生產鈦合金零件，然而，鈦合金具有鍛造溫度范圍窄、抗變形能力強、對生產環境敏感的微觀結構特性等工藝特征，使用傳統工藝生產加工鈦合金零件時存在生產工藝復雜，材料利用率低，加工成本高等缺點，除此之外，傳統的冶金方法易產生宏觀冶金缺陷和偏析等問題，需要經過熱處理進行消除[2-6]。

增材制造技術采用離散-堆積的思路，以三維數字模型為基礎，通過激光或電子束沿特定軌跡掃描加工，將材料逐層堆積制造出實體的新興制造技術，與傳統機械制造工藝相比，增材制造技術具有材料利用率高、設計自由度高、復雜結構一體化成形、交付周期短、加工成本低等優點，廣泛應用于航空航天領域[7]。2013年，美國Sciaky公司采用電子束熔絲沉積技術與鍛件結合的組合制造技術為F-35飛機制造出了垂尾、襟翼副梁等零件，成本降低30%以上[8]，同年，北京航空航天大學采用增材制造技術制造出了殲-31飛機主承重件加強框架，與鍛造技術相比，鈦合金材料利用率提高了5倍，制造周期縮短了2/3，成本降低了1/2，同時，產品晶粒細小、成分均勻3];此外，在民機領域，增材制造技術也得以應用，GE公司通過增材制造技術制造的發動機電動開門系統(PDOS)支架，與傳統制造方法相比，材料利用率提高90%，零件減重10%，該零件于2018年通過美國聯邦航空管理局(Federal Aviation Administration，FAA)適航認證;2022年，漢莎航空技術公司通過鈦合金激光選區熔化增材制造技術制造的“A-Link”零件,獲得歐洲航空安全局(European Union Aviation Safety Agency，EASA)適航認證;中國商飛公司聯合國內科研機構實現了鈦合金激光選區熔化增材制造零件在C919飛機上的裝機應用，并取得中國民航局(Civil Aviation Administration of China，CAAC)適航認證[8]。近年來，國內高校和科研機構在增材制造成形設備、制造工藝等方面的研究和工程化應用取得了突破性成果，但與國外相比，原材料的基礎研究、制備工藝和產業化等方面仍存在較大差距，

就粉末原材料而言，國內研究起步較晚，制粉企業規模和產品質量都與國外先進水平有一定差距，在航空航天領域，甚至許多高品質鈦合金粉末還主要依賴進口，國內自產粉末還存在粒徑較大、氧含量較多，質量不穩定等問題[7]。

目前，鈦合金粉末制備技術主要有電極感應熔煉氣霧化法(electrode induction melting gas atomization，EIGA)、等離子霧化法(plasma atomization，PA)、等離子旋轉電極霧化法(plasma rotating electrode process,PREP)等，制粉技術各有優缺點，比如EIGA法制備的粉末成分元素燒損極少，細粉收得率高，但氧增量難以控制，存在空心粉、衛星粉等缺陷;而PREP法制備的粉末具有球形度高、空心粉和衛星粉少、粒徑分布集中、粉末尺寸可控等諸多優點[9-12]，但合金棒料直徑小(小于50mm)和低轉速時，PREP法制備的粉末粒徑較粗，難以滿足于激光選區熔化成型技術和電子束選區熔化成型技術對粉末粒徑的要求[3]，陶宇等[13]研究者發現，可通過改變合金棒料直徑、轉速和等離子弧電流來控制粉末粒徑，如采用超高速旋轉電極霧化法可以制備出球形度高、粒度分布集中、雜質少、無空心粉，并且流動性好的鈦合金粉末，可滿足激光選區熔化成形技術和電子束選區熔化成形技術對粉末的要求[14]。

本實驗研究了采用PREP技術制備的TB6鈦合金粉末的物理特性，采用ImageJ軟件，對粉末粒徑進行統計，結合電鏡掃描(scanning electron microscope，SEM)、電感耦合等離子體原子發射光譜法(Electron-coupled plasma atomic emission spectrometry，ICP-AES)等技術分析，研究電極轉速對TB6鈦合金粉末尺寸、形貌的影響，并分析了粉末粒徑對O、N含量的影響等。

1、實驗材料和方法

試驗選用規格為?65mm×600mm的TB6鈦合金棒料作為原材料，其化學成分如表1。PREP制粉設備主要由霧化室、等離子槍裝置、旋轉進給機構和粉末收集裝置構成，具體構成詳見圖1。

PREP法是通過動力機構帶動金屬棒料高速旋轉，等離子槍產生的高溫等離子弧作用于高速旋轉的棒料端面，使棒料端面產生微區熔化，金屬熔化層在高速離心力的作用下霧化成球形粉末，霧化全過程在惰性氣氛的保護下進行[15-18]。粉末制備前，在TB6棒材一段開定位卡槽，并對棒材表面進行打磨清洗，以去除棒材表面的油污及氧化物，霧化室抽成真空后，通入高純氬氣(純度99.99%)，對電極系統施加強電流，使TB6鈦合金棒在電弧產生的高溫下發生熔化，利用鈦棒自身高速旋轉產生的離心力將熔化的合金液滴拋出并瞬間凝固，形成TB6鈦合金粉末，通過控制棒材轉速調節合金粉末的粒徑。本文選取的轉速分別為20000r/min及28000r/min。使用JEOL-7500掃描電鏡對粉末進行觀察，使用ImageJ軟件統計合金掃描電鏡照片中粉末直徑，獲得TB6粉末的粒徑分布，使用電感耦合等離子體原子發射光譜法分析不同粒徑的合金粉末的氧和氮含量。

表1 TB6鈦合金化學成分(質量分數)

Table 1 Chemical compositions of TB6 titanium alloy

%

2、結果與討論

2.1 TB6鈦合金粉末的粒徑分布

圖2和圖3所示為20000r/min及28000r/min兩種轉速下獲得TB6鈦合金粉末的實際粒徑分布直方圖，PREP法制備的TB6鈦合金粉末的粒徑基本符合正態分布，TB6鈦合金電極棒轉速為20000r/min時，95%以上的粉末粒徑在70~170μm之間;電極轉速為28000r/min時，95%以上的粉末粒徑在40~160μm之間;電極轉速越快，合金粉末的粒徑分布區間越大，并且小尺寸粉末所占的比例也越高。通過PREP法制備的TB6鈦合金粉末流動性非常適宜3D打印及激光修復等要求，可使用不同目數的振動篩對TB6鈦合金粉末的粒徑及粒徑分布區間進行進一步的篩選優化，以便滿足特定需求[7]。

2.2粉末粒徑對O、N含量的影響

由于所有TB6合金粉末均來自于同一根成分均勻的TB6棒材，針對不同轉速的粉末，金屬本身的合金元素如Ti、V、Fe及Al的含量不進行比較，僅比較對TB6鈦合金粉末性能影響較大的O與N元素的差別。高的O、N含量將直接降低鈦合金的力學性能。除此之外，鈦合金粉末中的O、N元素會影響粉末的可壓縮性及熔融燒結性能，O元素還會降低成型后鈦合金構件的斷裂延伸率，惡化塑韌性，因此TB6合金粉末中O、N元素的含量越少越好[19]。雖然粉末制備是在高純氬氣中進行，但O、N元素依然難以避免，本實驗采用99.99%的高純氬氣作為保護氣體，電極轉速為28000r/min時獲得不同粒徑的TB6粉末中O、N元素的含量變化見表2。

等有害雜質，這對粉末的壓縮和燒結性能不利，因此粉末封裝要在氬氣保護下進行;而大粒徑的TB6合金粉末往往含有更少的O、N元素，這對成型后的金屬基體是有利的，3D打印及激光修復用的TB6鈦合金粉末應盡量減少外界暴露時間并密封保存。此外，雖然氮氣在室溫下不容易與鈦合金粉末反應，但測試結果表明微米級的TB6鈦合金粉末依然會吸附N元素。

2.3粉末微觀形貌和相組成

表2 不同粒徑的TB6鈦合金粉末中O、N元素的質量分數

Table 2 Mass fractions of O and N elements in TB6 titanium alloy powders with different particle sizes%

從表2可以看出，整個粒度范圍內N含量很低，當粉末顆粒接近100μm時，粉末中的N質量分數不高于0.0055%。隨著粒徑的降低，粉末中O、N元素的含量均明顯增加，這主要因為粉末粒徑較小，有較大的比表面積，反應活性也更大，在粉末制備及后續處理過程(包括轉移、封裝、測試等)中與外界接觸時會吸附更多的氧氣、氮氣及水蒸氣。

圖4為電極轉速28000r/min時制備的不同粒徑TB6鈦合金粉末微觀形貌。由圖4可以看出，PREP法制備的TB6鈦合金粉末球形度極好，粉末顆粒呈規則球形。小粒徑顆粒表面光亮圓滑，基本不存在衛星粉現象，適合于熱等靜壓等成形工藝的要求。粉末粒徑不同時，表面形貌也會存在一定差異，粒徑較大的粉末顆粒表面呈現胞狀枝晶組織，粉末表面存在很淺的凹凸不平，有少量微小縮孔;隨著粉末粒徑越小，金屬微球的表面越光滑，胞狀枝晶組織逐漸減少，說明粉末越小結晶現象就越不明顯。以上現象主要由鈦合金粉末不同的冷卻速度造成，PREP制備的粉末是熔融金屬液滴在高速運動中急速冷卻形成的非平衡組織，其冷卻速度根據表面積的不同可以達到10?~10?K/s，球體比表面積與球體直徑成反比，因此粉末的粒徑越小，其比表面積越大，冷卻速度就越快，小尺寸熔融金屬液滴凝固過程中的更易被“凍結”，結晶過程受到抑制，因此表面更加光滑;而大粒徑粉末，凝固過程中冷卻速度較慢，粉末內部形成更多晶粒，且不同晶粒間收縮速度不同，在粉末表面形成了明顯的結晶組織，表面更加粗糙[20]。小尺寸的光滑粉末更有利于3D打印件的性能提升，但是小粉末流動性不好又不利于打印成形，因此鈦合金粉末的很多特性是相互矛盾的，應根據實際需求選取最適宜的粉末粒徑[21]。

對28000r/min轉速條件下不同粒徑的TB6鈦合金粉末進行物相分析，發現粉末相組成主要為β-Ti(2θ≈38°附近)，同時發現含有少量α-Fe(2θ≈40°附近)。這是因為PREP法制備粉末為極速冷卻過程，較細粉末冷卻速度快，保持了高溫時的β相，大粒徑粉末相對冷卻速度較慢，導致少量Fe析出，呈現“β斑”現象。

3、結論

(1)PREP法制備的TB6鈦合金粉末球形度好，粒徑分布集中，衛星粉極少，非常適用于選區激光熔融化成形及電子束選區熔化成形等增材制造技術。

(2)電極轉速20000r/min時粉末粒徑分布區間為70~170μm，轉速為28000r/min時粉末粒徑分布區間為40~160μm。粉末粒徑隨轉速增加而明顯減小，高電極轉速下小粒徑粉末的數量顯著增加。

(3)較大粒徑的粉末表面呈現胞狀枝晶組織，粉末表面存在很淺的凹凸不平，有少量微小縮孔;隨著粉末粒徑減小，粉末表面越光滑，胞狀枝晶組織逐漸減少，小粒徑粉末由于比表面積大，散熱更加迅速，粉末內結晶過程受到抑制，因此表面更加光滑，但粉末中O、N等雜質元素的含量隨著合金粉末尺寸的減小而略有增加。

(4)對28000r/min轉速條件下不同粒徑的TB6鈦合金粉末進行物相分析，發現粉末相組成主要為β-Ti相，同時發現含有少量α-Fe相。

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（注，原文標題：等離子旋轉電極霧化法制備TB6鈦合金粉末_劉志輝）