钛及钛合金行业

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SLM金属3D打印TC4钛合金粉末特性及成形性能

   2022-05-30 1500

  钛合金中Ti-6Al-4V(TC4)合金材料应用最为成熟,TC4合金是一种典型的α+β两相合金,其成分含有6%的稳定α相元素Al及4%稳定β相元素V,兼顾了α相和β相的优点。因其具有密度低、耐热和耐腐蚀性优异、比强度高等特点,在航空航天、生物医疗等领域都得到广泛应用。选区激光熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)作为一种增材制造技术,可实现复杂结构金属构件的材料-结构一体化净成形,为航空航天、生物医疗高性能构件的设计与制造提供了新的工艺。

  盘星新金属 TC4粉末特性

  盘星TC4粉末采用电极感应熔炼气雾化EIGA技术进行制备,TC4粉末成分要求及测试值如表1所示。

△表1 TC4粉末化学成分

  制粉过程中,通过控制关键参数,实现连续、稳定、高效生产。收粉后,通过筛分、气流分级、合批等工序制备15-53μmTC4粉末。15-53μm粉末粒度分布见下表2所示,粉末粒度分布呈正态分布,符合技术要求。

△表2 TC4(15-53μm)粒度分布

  TC4粉末具有优异的综合性能,流动性好,松装密度高、振实密度高,见表3。

△表3 TC4(15-53μm)粉末综合性能

  经过气流分级处理,0-53μm粉末去除掉0-20μm细粉,粉末因物理吸附而产生的粘连情况和雾化过程中形成的卫星粉情况得到改善,粉末具有较好球形度,且球形粉表面变形量小,见图1。

△图1 TC4(15-53μm)粉末形貌(×100、×200)

  盘星新金属TC4粉末选区激光打印

  采用GE Concept Laser M2型打印机完成TC4标准试样的打印,保护气为高纯度氩气,成形前将基板预热至200℃,参数设置见表4。采用NB 380M型真空热处理炉完成TC4标准试样的热处理,热处理制度为800℃,保温时间4h,随炉冷至室温,如下图2所示。

△表4 SLM打印主要工艺参数

△图2 M2打印机与真空热处理炉

  TC4粉末以直接成形的方式打印成标准试样,其尺寸如下图3所示。

△图3 标准试样尺寸图

  在标准试样的打印过程,粉末共计循环6次进行循环打印试验。如下表5所示,6次循环打印试样的抗拉强度极差值为22MPa、屈服强度的极差值为37MPa,每次强度之间的差异小于5%,无明显差异。延伸率之间极差值1.2%,均值为14.4%,可判断6次循环打印试样的延伸率无明显差异,见图4。

图4 TC6循环6次力学性能稳定性

  因而,在6次循环打印过程中,打印试样的力学性能无明显差异,即TC4粉末至少可以循环打印6次而试样性能不发生明显变化。打印试样抗拉强度的均值为1027MPa,屈服强度的均值为938MPa,延伸率的均值为14.4%。

△表5 循环打印试样性能参数表

  TC4粉末选区激光3D打印的应用

  航空航天

  有权威机构指出,航空航天是增材制造技术研发与工业应用最有望获得突破的领域,其应用范围已从零部件级(飞机、卫星、高超飞行器、载人飞船的零部件打印)发展至整机级(发动机、无人机、微/纳卫星整机打印)。

  随着航空技术发展,飞机的设计越来越看重复杂大型整体化结构设计,这是飞机结构轻量化设计的重要发展方向。飞机传统设计受限于传统制造技术,一些创新存在“设计得出,造不出”的问题,而增材制造技术的发展为复杂创新结构制造的实现提供契机。选区激光熔化技术作为典型的增材制造技术,在轻量化高性能结构及结构一体化领域有明显优势,为复杂创新型结构“设计得出,造得出”提供途径。TC4材料作为典型的中温钛合金,可应用于制造发动机机匣、进气口叶片、梁和承力结构件。

  生物医疗

  从20世纪80年代起,钛合金就已经逐渐被用于口腔修复、牙体种植、义齿支架等领域。时至今日,钛合金作为生物医用植入材料研究热点,在医疗方面的应用已涉及到人工关节、血管支架、骨科器械等。TC4作为一种常用生物医用钛合金,已经在我国临床应用。传统的钛合金加工方法是铸造法,操作复杂,精度差、成本高且污染环境。目前,选区激光打印钛及钛合金被广泛应用于制作冠桥修复体、牙种种植、义齿支架、种植体基台等牙科领域,以及人工关节假体(如髋、膝踝、肩、肘等)、骨结合产品、骨创伤产品和脊柱内固定系统等骨科领域。

  在牙科领域,SLM技术能够进行定制化加工,可生产精密个性化修复体,临床应用效果最佳,该技术在制作牙科支架、冠桥方面已经较为成熟。

  在骨科领域,多孔钛合金抗腐蚀性能、生物相容性以及与人骨相匹配的力学性能优异,是人体理想的骨科替代物植入体。多孔钛材料设计独特的多孔结构和粗糙的内外表面,有利于成骨细胞的粘附、增值和分化,促使新骨组织生长,有利于植入体与骨之间形成一个整体。

△左:选区激光打印TC4在牙科领域的应用 。右:选区激光打印TC4在骨科领域的应用

  选区激光打印技术模仿自然结构特定的复杂设计能力是传统制造方法无法比拟的,同时能够实现对患者进行定制化服务,可满足不同人群对精准医疗的需求。


 
标签: TC4钛合金
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