3D打印SLM工艺用球形钛合金粉制备工艺及性能研究

钛及其合金是二十世纪中期发展起来的一种重要金属,钛合金粉具有密度低、强度高、耐腐蚀、无磁等特点,是3D打印用关键原材料,在汽车、航空航天和生物工程等领域被广泛应用[1-4]。球形钛合金粉是3D打印选区激光熔化工艺(SLM)重要原料,该工艺适用于精密复杂小型零件直接成型,由于激光束斑小,要求金属粉末粒径细、杂质含量低。与此同时,《国家增材制造产业发展推进计划(2015—2016)》将细粒径球形钛合金粉末作为着力突破的增材制造专用材料[5],因此,开发一种3D打印SLM工艺用细粒径球形钛合金粉成熟制备技术具有重要意义。

目前，球形钛合金粉制备技术主要有惰性气体雾化法、旋转电极法、旋转电极电子束熔化法等,这些方法制备出的钛合金粉存在粒径粗大、粒度分布宽、氧含量高等缺点。感应等离子技术是制备球形粉末颗粒的新兴方法之一,该方法制备球形粉末颗粒具有粒度可控、球形度高、无电极污染等优点[6],适合制备细粒经球形粉末颗粒。为此,本文采用感应等离子制备技术对SLM 工艺用细粒径球形钛合金粉制备工艺进行相关探究,通过扫描电子显微镜观察、激光粒度测试等分析手段对球形钛合金粉末性能进行分析,详细讨论了原料粒度、等离子功率等对粉末球化效果的影响,并通过粒度分布测试、纯度测试等,对球化后钛合金粉基本性能进行了相关研究。

1、实验

1.1 感应等离子制备球形钛合金粉原理球形钛合金粉制备过程中,不规则钛合金粉末颗粒通过送粉器,被载气携带至高温等离子区域,表面被等离子体炬迅速加热熔化,熔融颗粒在表面张力作用下形成球形液滴,后经快速冷凝得到球形粉末[7-8]。球化前后粉末形貌示意图如图1。

1.2 样品制备与表征

球形钛合金粉末制备实验在加拿大泰科纳等离子系统公司15 kW 粉体制备系统内进行,原料采用市售TC4 钛合金粉末。实验过程中,改变原料粒度和等离子功率,对相关工艺进行研究。

采用Mastersizer 2000E 激光粒度仪对球形钛合金粉粒度进行测试,采用日本日立(Hitachi)SU5000 热场发射扫描电子显微镜(SEM)观察表征其形貌。

2、结果与讨论

2.1 原料粒度的影响

其他实验条件一致,选用不同粒度钛合金粉末原料,其中1# 原料粒度为-61 μm,2# 原料粒度为-80 μm,3# 原料粒度为-106 μm,厂家为上海潘田粉体材料有限公司,三种原料球化前后形貌如图2所示。

从 图2 可以发现,外购三种钛合金粉末原料均为不规则形态,经感应等离子球化后,均可形成球形钛合金粉末颗粒。图2(a)与(b)比较,两原料粒径基本相同,主要分布在20~60 μm,球化后球形钛合金粉末粒径也基本相同,主要分布在20 ~50 μm。

但二者球化率有所不同,2# 钛合金粉末球化率较低,主要因为2# 原料颗粒均匀性较差,大颗粒较多,经等离子区域后无法熔融球化。图2(c)中,3# 钛合金粉末原料粒径主要分布在30~100 μm,颗粒均匀性较好,但由于原料粉粒径较大,部分颗粒无法熔融球化,球化率较低,且球化后粒径主要分布在20~80 μm,不符合本研究制备细粒径钛合金粉末要求。

由以上可知,钛合金粉末原料粒径大小及均匀性对球化后粉末颗粒的粒径及球化率有重要影响。

2.2 等离子功率的影响

选用1# 钛合金粉末原料,控制其他实验条件一致,改变等离子功率,对其球化后形貌进行观察,如图3 所示。

从图3 可以发现,四种等离子功率条件下,均能够获得球形钛合金粉,但随等离子功率变化,球化率和表面状态有所不同。当图3(a)和(b)等离子功率分别为12 和13 kW 时,球化率较低,且等离子功率越低,球化率越低,主要是因为等离子功率过低,钛合金粉末受热减少,部分颗粒没有熔融便离开等离子炬高温区,无法实现熔融球化,球化率随等离子功率降低显著降低。图3(c)和(d)等离子功率分别为14和15 kW 时,球化率均较好,基本无未球化颗粒。当等离子功率为14 kW 时,粉末球形度较好,颗粒表面光滑,无粘连、卫星球等现象;当等离子功率提高到15 kW 时,开始出现少量粘连及卫星球现象,主要是因为等离子功率过大,导致部分大颗粒粉末发生过度熔融,冷凝后容易出现粘连、卫星球等现象。由以上可知,等离子功率对球形钛合金粉末的球化率及表面状态有重要影响,等离子功率过大,球形钛合金粉末表面状态较差,等离子功率过小,球形钛合金粉末球化率较低,需将等离子功率控制在合理范围。

2.3 球形钛合金粉基础性能评价

选用1# 钛合金粉末原料,等离子功率14 kW,制备的球形钛合金粉末球化率较高,表面光滑,无粘连等情况出现。粒径分布如图4 所示。

从图4 可以发现,制备的球形钛合金粉粒径较细,分布较窄,主要分布在20 ~ 50 μm,占比达95.62%。检测1# 钛合金原料粉及球化后粉末中Fe、C、N、H、O 等杂质含量,如表1 所示,发现球化后Fe、O 等总杂质含量仅为0.51%,含量较低,与原料粉末杂质含量基本相同,说明球化过程未引入杂质,纯度控制较好。同时,球化后钛合金粉末其他性能测试如下:松装密度2.40g/cm³ 、振实密度2.68g/cm³  、流动性38s/50g。球形钛合金粉末松装密度和振实密度较高,说明粉体内部较致密,无明显缺陷;粉体流动性达到38s/50g,非常适合作为3D打印SLM工艺用钛合金粉原材料。

3、结论

1)感应等离子技术可制备SLM 工艺用细粒径球形钛合金粉,通过相关试验,明确了原料粒度、等离子功率等因素对球形钛合金粉制备的影响规律。

2)本研究中,选用粒度较细、分布均匀的钛合金粉末原料,等离子功率14 kW 时,制备的球形钛合金粉末球化率高、颗粒表面光滑,且无粘连、卫星球等情况出现。

3)对最佳球形钛合金粉的基础性能进行评价,粒径主要分布在20~50μm,占比达95.62%;Fe、O 等总杂质含量为0.51%,含量较低;松装密度、振实密度、流动性分别为2.40g/cm³、2.68g/cm³、38 s/50g,符合SLM 工艺要求。

参考文献:

[1] 古忠涛,叶高英,刘川东,等.射频等离子体球化钛粉的工艺研究[J].粉末冶金技术,2010,28(2):120-124. GU Zhongtao,YE Gaoying,LIU Chuandong,et al.Study on the titanium powders spheroidization by usingRF induction plasma[J].Powder Metallurgy Technology, 2010,28(2):120-124.

[2] YANG S,GWAK J N,LIM T S,et al.Preparation of spherical titanium powders from polygonal titanium hydride powders by radio frequency plasma treatment[J]. Materials Transactions,2013,54(12):2313-2316.

[3] 古忠涛,叶高英,金玉萍.射频感应等离子体制备球形钛粉的成分分析[J].强激光与离子束,2012,24(6):1409-1412. GU Zhongtao,YE Gaoying,JIN Yuping.Chemical compositions of spherical titanium powders prepared by RF induction plasma [J].High Power Laser and Particle Beams,2012,24(6):1409-1412.

[4] 古忠涛,叶高英,刘川东,等.射频感应等离子体制备球形Ti 粉的工艺[J].核动力工程,2010(1):13-17. GU Zhongtao,YE Gaoying,LIU Chuandong,et al.Process for titanium powders spheroidization by RFinduction plasma [J ].Nuclear Power Engineering,2010(1):13-17.

[5] 李保强,金化成,张延昌.3D打印用球形钛粉制备技术研究进展[J].过程工程学报,2017,17(5):911-917. LI Baoqiang,JIN Huacheng,ZHANG Yanchang.Research progress of preparation methods of spherical titanium powders for 3D printing [J ].The ChineseJournal of Process Engineering,2017,17(5):911-917.

[6] 盛艳伟,郭志猛,郝俊杰,等.射频等离子体制备球形钛粉[J].稀有金属材料与工程,2013,42(6):1291-1294. SHENG Yanwei,GUO Zhimeng,HAO Junjie,et al.Preparation of micro-spherical titanium powder by RFplasma[J ].Rare Metal Materials and Engineering, 2013,42(6):1291-1294.

[7] BOULOS M.Plasma power can make better powders[J].Metal Powder Report,2004,59(5):16-21.

[8] 闫世凯,胡鹏,袁方利,等.射频等离子体球化SiO2 粉体的研究[J].材料工程,2006(2):29-33. YAN Shikai,HU Peng,YUAN Fangli,et al.Spheroidizationof silica pewders in a radio frequency plasma [J ].Journal of Materials Engineering,2006(2):29-33.