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球形钛合金粉末制备技术及增材制造应用研究进展
发布时间:2020-08-18 来源: 浏览数:60

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技术制备粉末

超高转速等离子旋转电极(SS-PREP)

传统等离子旋转电极技术(PREP)发明于Nuclear Metals/Starmet公司,后被美国TIMET公司收购。传统PREP技术利用电极棒作为阴极,转移弧等离子枪为阳极,激发氩气使之电离为氩离子从而高温熔化电极棒端面形成液膜,继而通过轴心自转的离心力形成金属球形颗粒,转速在14000~16000r/min,靠近电机的棒材加持端暴露于空气之中,难以进行严格的气氛控制。目前,传统PREP粉末颗粒直径仅能满足国内激光熔覆沉积技术(LMD)90~250μm的粒度要求,尚难以满足国外先进高速激光熔覆沉积技术(DED/LENS)50~150μm、电子束选区熔化技术、激光选区熔化技术对粉末的需求。

氩气雾化法

氩气雾化法(GA)按熔炼方式不同可分为冷壁坩埚氩气雾化(TGA)和电极感应氩气雾化(EIGA) 两种工艺。冷壁铜坩埚氩气雾化通过真空感应熔炼将钛合金原材料完全熔化于坩埚中,坩埚可盛放金属溶液提高其成分均匀性,利用坩埚底部的局部二级感应线圈重新加热金属溶液,继而形成稳定液流,借助高压氩气的喷射作用力将金属液流吹散冷却而形成金属颗粒。收集时首先进入旋风分离器,再进入金属料罐。TGA钛合金粉末振实密度是理论密度的60%~70%。电极感应气雾化(EIGA)通过圆锥形感应线圈熔化特定尺寸钛合金棒材的端部而直接形成液流,全程不接触坩埚,然后通过高速氩气气流进行雾化制粉。

等离子体雾化

等离子体雾化技术最早出现于1996年,该技术利用高冲击力的非转移等离子火焰瞬时熔化直径约3mm钛合金丝材,并利用等离子火炬的氩气冲量将熔融丝材吹散,此技术突破性的将金属熔化与氩气雾化集成到同一步骤,高温氩气延长液滴凝固时间,既能提高金属颗粒的球形度,又能降低空心颗粒比例,其本质依然是气雾化制粉,但从其粉末品质、成品率、原材料应用等方面综合考虑,应属于一种全新的钛合金粉末制备工艺。

等离子球化

射频等离子球化技术(即等离子球化IPS or PS)通过气流将非球形氢化脱氢钛合金粉末送入高密度等离子火焰重熔为液体颗粒,并依靠液滴表面自由能降低的自发过程瞬时凝固为球形金属颗粒,一次球化率不低于80%,通常情况下仍需进行分选和再次球化处理。射频等离子体通过强电磁耦合效应,诱导电流的焦耳热效应加热气流至高温,从而形成可自持续的等离子体,不同于等离子雾化技术、等离子旋转电极技术所用等离子体。等离子球化技术因为原材料受限于非球形粉末颗粒,因此可生产的钛合金品种仅限于纯钛CP-Ti、 Ti6Al4V等少量常规牌号,并且由于两次制粉过程,氧、氮等杂质元素的控制是亟待解决的问题。

钛合金粉末增材制造研究进展

等离子体雾化工艺(PA)的0~45 μm成品率和原材料钛丝利用率最高,是目前最适宜用于激光铺粉增材(SLM)的粉末制备工艺。超高速等离子旋转电极工艺(SS-PREP)具备最优的粉末综合性能,包括粉末球形度、流动性、松装密度、空心颗粒比例;由于空心颗粒比例最低,在电子束铺粉增材(EBM)、激光送粉增材(LMD)应用方面优势明显;SS-PREP粉末可覆盖SLM、EBM、LMD 3种增材制造用粉末的制备工艺。另一方面,TGA工艺可使用多种形态的钛合金原材料,使其粉末具备最低的经济成本,EIGA则只能使用?50 mm或其他尺寸的棒材原料,虽同为GA工艺,但是TGA工艺成本控制优于EIGA工艺。


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