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TC4 钛合金粉末热等静压工艺及应用
2022-10-27 浏览次数:641

TC4钛合金概述

TC4钛合金密度低,比强度高,生物相容性和中高温稳定性好,并具有良好的机械性能和优异的耐腐蚀性,其在航空航天、军工及船舶等领域得到广泛应用,是目前常用的钛合金。由于TC4钛合金机械加工性能差、材料成本高,常规成形方法的材料利用率低、加工余量大等缺点催生了钛合金近净成形技术的发展,可通过增材制造和粉末热等静压工艺实现高强度轻量化零部件的快速成型制造。

TC4钛合金粉末

粉末是TC4钛合金粉末冶金构件制备的前提与基础,粉末物性对粉末热等静压成形件的性能起着重要作用。TC4钛合金粉常用的预合金粉末制备工艺主要有冷壁坩埚真空感应熔炼气雾化法、电极感应熔炼气雾化法(EIGA)以及等离子旋转电极雾化法,其中EIGA法制备的粉末综合性价比优而得到普及。

电极感应熔炼气雾化法(EIGA)

TC4钛合金制作成电极棒,通过感应线圈将电极棒加热熔化并形成细小的液流,经过喷盘,在高速惰性气流作用下将液滴破碎,并快速冷凝成粉末。该工艺为无坩埚无导流管模式,制备的粉末纯净度高。

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1电极感应熔炼气雾化法示意图

TC4钛合金粉末热等静压工艺

热等静压(hot isostatic pressing,HIP)工艺,是以惰性气体为传力介质和保护气氛,在可控的高温(2000℃以下)、高压(100~200Mpa)密闭容器中,向放入其中的包套或者零部件表面施加各向同等的静压力后,获得高致密化部件的技术,其原理如下图2和图3所示。热等静压工艺已经在很多领域得到广泛的应用,如TiC等硬质合金的烧结制备及成形后处理、大型铸件制品的致密化,靶材及打印件的致密化、钛钼等高温合金的消除内缺陷处理和难焊接材料的扩散连接等。

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2 热等静压成型原理

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3 热等静压内部孔隙去除缺陷

粉末热等静压(HIP)工艺将粉末近净成形特点和热等静压可得优异材料性能特点相结合,是一种可以同时达到致密化和净近成形效果的方法,其优点包括:材料致密度高,相对密度接近100%,具有良好的微观结构,纯净度高,晶粒细小,组织均匀,各向同性,内应力小,性能可全面达到或超过锻件的水平。 

TC4钛合金粉末热等静压工艺路线如下图4所示:

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4 TC4钛合金粉末热等静压工艺路线

TC4钛合金粉末热等静压工艺可以消除缺陷,有效提高钛合金工件力学性能,以达到高端装备的高要求,同时可以降低钛合金的成本,提高生产效率和钛合金的利用率,从两方面解决了钛合金工艺技术所存在的问题。

盘星新金属TC4钛合金粉末热等静压工艺特性

盘星TC4钛合金粉末采用电极感应熔炼气雾化EIGA工艺制备,其粉末及热等静压零件的化学成分标准值及测试值如下表1所示,均满足锻件国标GB/T 25137-2010要求,且氧含量增量100ppm以内。

表1 TC4化学成分(wt.%)

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由于采用3D打印粒径区间外的副产品应用于热等静压技术,粉末粒径区间为53~250μm,其粉末物性参数见表2所示,粉末形貌SEM见下图5。

2 TC4 53~250μm粉末物性参数

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图5 TC4粉末SEM形貌图

TC4钛合金粉末热等静压工艺具有优异的综合性能(见下表3和表4),加工实物图见图6,测量了3个批次的粉末热等静压件的块体密度与室温力学性能:

1)粉末热等静压件的致密度达到99.6%;

2)粉末热等静压件的室温力学性能稳定,且满足锻件标准GB/T 25137-2010要求;

3)粉末热等静压件的X射线探伤:未发现试样内部明显缺陷(孔洞、裂纹、未熔合、夹杂等);金相组织为α+β网篮组织;

3 TC4粉末热等静压件的致密度

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4 TC4粉末热等静压件的室温力学性能

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6 TC4钛合金粉末热等静压件的加工实物图

TC4钛合金粉末热等静压工艺的应用

1955年,首台热等静压设备在美国研制成功,标志着热等静压工艺技术的诞生。美国在航空航天工程和军事领域大力研发粉末钛合金的技术,具有优势,应用如F14发动机短舱骨架和机身支架,F-15战斗机的TC4钛合金的龙骨接头,F18引擎固定支架等。图7为英国的R-R发动机公司与伯明翰大学通过计算机仿真模拟与HIP近净成形技术相结合制备的航空发动机压缩机外罩,其是目前公开报道中较大的粉末钛合金HIP近净成形的航空结构件。

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7 R-R公司HIP近净成形技术生产的高性能Ti-6Al-4V钛合金航空发动机压缩机外罩

目前,国内科研院所开展了大量工作,开发出一批性能优异的粉末钛合金部件,很多已应用于航空航天和军事工业上,如航空发动机、航天器、氢泵叶轮、薄壁舱体、空气舵骨架、导弹尾翼、贮箱、涡轮盘、潜艇潜望镜筒体等,特别在C919大飞机试飞成功的基础上,粉末钛合金将会在国内航空领域有更大的发展。航天材料及工艺研究所是国内较早开展近净成形粉末钛热等静压的单位,研发的产品包括各种牌号(如 TC4、TC11、TA7、TA15)的航空航天部件,如锦板骨架结构件、筒件、水平翼骨架、叶轮等,如图8所示。

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8 航天材料与工艺研究所研发的粉末钛合金产品

民用市场上,随着3D打印机快速增长的市场需求,打印用钛合金基板的需求也在逐渐增加,利用TC4钛合金粉末热等静压成形钛基板也具有较强的潜力市场。

盘星致力粉末研发与生产

 盘星新金属致力于新型金属材料、球形金属粉末的研发生产,是一家以研发为导向,精密制造为核心的国家高新技术企业。在粉末业务方面,盘星新金属现有10条真空气雾化生产线,年产钛合金、高温合金等高品质粉末逾1000吨,产品广泛应用于增材制造、MIM、表面处理等领域。未来,盘星将推出更多元化、低成本的粉末种类,以优异稳定的产品质量,向客户提供优质有效的一体化的技术解决方案。


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