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          鈦及鈦合金行業

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          增材制造用鈦合金的種類、應用、粉末制備技術,及市場用量情況

             2021-12-30 3D打印技術參考6400

            鈦合金具有比強度高,耐蝕性好,高溫力學性能優良等特點,可滿足航空航天高機動性、高可靠和長壽命零部件設計的需要,其應用水平已經成為衡量航空及航天器選材先進程度的重要標志,同時合金具有良好的生物相容性,彈性模量與人體骨骼接近,在醫療領域也是一種重要應用材料。雖然鈦具有諸多優良特性,但其加工一直是一項難題,鈦的低熱傳導率、加工硬化、低彈性模量等因素造成傳統機加工手段制造鈦合金構件難度較大,材料利用率低,周期長,成本高,而等靜壓、注射成形、放電等離子燒結等方法又難以克服氧含量和孔隙率高等瓶頸問題。

            增材制造作為近凈成形技術的一個新方向,大大減少了工序并縮短了制造周期,非常適用于復雜結構和定制化零件制造,而且材料利用率高,其技術優勢與鈦的應用領域需求具有天然契合點,同時增材制造能夠規避鈦的加工難題,鈦的不利于傳統機加工的諸如低熱傳導率特性反而有利于粉末激光成型,因此自金屬增材制造技術興起之后,鈦合金被率先投入使用并迅速鋪開,由此也帶動了粉末材料的需求。當前全球增材制造用鈦粉年用量在1000噸以上,在整個增材制造金屬材料中仍然占據主要市場。

          2014-2027年鈦合金3D打印粉末總消耗量預測(來源:SmarTech)

            增材制造用鈦合金粉末制備

            粉末材料作為金屬增材制造的最主要基礎原材料,是增材制造產業鏈中的重要組成部分。金屬粉末特性對增材制造工藝穩定性、成形精密性和產品組織性能有關鍵影響。鈦合金增材制造以鈦合金粉末為原料,粉末粒度分布、純凈度、空心粉含量、流動性、松裝密度等對成形件性能起著至關重要的作用。

            不同增材制造工藝所適用粉末特性有所差異,但基本要求都是成分純凈、粒徑分布窄,流動性好?;谏鲜鲆?,應用于增材制造的金屬粉末多為球形粉末,制備工藝也以球形粉末制備技術為主。金屬增材制造中常用鋁基、鐵基、銅基等材料大多采用坩堝熔煉氣體霧化制備,但由于鈦具有極強的化學活性,在高溫狀態下和絕大多數的單質和化合物發生反應,因此為保證鈦合金粉末的純凈度和低含氧量不宜使用傳統坩堝方式熔煉。當前球形鈦粉制備技術集中于電極感應熔煉氣體霧化(EIGA)、等離子旋轉電極(PREP)、等離子火炬霧化(PA)和射頻等離子球化(PS),幾種方法均為無坩堝形式。

            國內外主要增材制造鈦粉供應商多以上述幾種制備技術為基礎,而且不同制備技術分別形成了代表性的設備和材料供應商,如德國ALD公司代表了EIGA設備的最先進水平,以PA技術為基礎的AP&C幾乎是高品質球形鈦粉的代名詞。幾種鈦粉制備方法在粉末特性、設備成本和生產效率方面各有優劣,但不可回避的一個問題就是細粒徑粉末的制備成本。近幾年鋪粉用鈦合金粉末市場價格已經大幅降低,但單價仍然明顯高于其他增材制造粉末,一方面是由于鈦本身材料價格高,作為高活性材料處理成本也高,另一方面和當前鈦粉制備技術的細粉收得率和生產效率直接相關。雖然當前粉末成本并不是金屬增材制造的最主要成本,鈦的主要應用領域對價格也并不過分敏感,但在粉末需求不斷增長的大背景下,降低成本是必然要求,因此開展鈦粉制備技術開發和工藝優化具有重要意義。對球形鈦粉制備而言,提高細粉收得率和相對連續工藝生產都是制備關鍵技術。

            據3D打印技術參考了解,有研科技集團下屬北京康普錫威科技有限公司(有研增材技術有限公司)為解決鈦及鈦合金粉末制備存在的熔煉與霧化技術問題,將高頻感應熔煉技術與氣霧化技術相結合,并采用緊耦合結構的霧化器結構設計制備微細球形鈦及鈦合金粉末,提高了細粉收得率,同時可實現密閉條件下的連續生產,進一步降低了鈦合金粉末的生產成本。相關成果曾獲中國有色金屬工業科學技術一等獎。

            增材制造用鈦合金種類及應用

            鈦合金存在α和β兩種同素異形體,一般在882℃發生α?β的轉變。通常來說,根據鈦合金中α相和β相的含量組成可將鈦合金分成α鈦合金、β鈦合金、α+β鈦合金三類,我國分別以TA、TB、TC表示。α鈦合金是由α相單項固溶體組成,組織形態比較穩定,始終以α相形式存在,因此具有良好的高溫穩定性和可焊性,但是其室溫強度和塑性較差。β鈦合金晶體結構為體心立方(BCC),其變形能力優于密排六方(HCP)結構的α鈦合金,具有較好的塑性和室溫強度。α+β鈦合金可以通過調整合金元素成分調控α和β的相對含量從而達到提升合金成形性和力學性能,但這都是以犧牲其焊接性能和抗蠕變性能為代價。

            在增材制造領域中,目前α+β鈦合金應用最多的是TC4,具有良好的耐蝕性、焊接性,可通過熱處理調整組織及性能,在航空航天和醫療領域廣泛使用,可在350℃以下長期使用;隨著增材制造應用的不斷拓展和輕量化要求的不斷提高,越來越多航空航天零部件希望擁有更高的高溫強度和穩定性部分替代密度較大的高溫合金和不銹鋼,同時又兼具良好可焊性的需求,α鈦合金無疑是一個很好的選擇,目前應用較為成熟的是TA15合金。TA15合金長時間(3000h)工作溫度可達500℃,瞬時(不超過5min)可達800℃。450℃下工作時,壽命可達6000h。

            常用增材制造用鈦合金粉末產品

          表1增材制造用鈦合金粉末化學成分表圖片

          表2增材制造用鈦合金粉末特性(來源:康普錫威)

            產品樣例(TA15)

            ■應用場景

            TA15合金是一種高Al當量的近α型鈦合金,具有良好的高溫強度、穩定性、耐熱性、耐腐蝕性及焊接性能等一系列優良的綜合性能,用于制造飛機的風扇,壓氣機盤及葉片等工作溫度較高,受力較復雜的重要結構件,是一種重要的飛機和發動機結構用鈦合金材料。

            ■力學性能:

            表3退火態3D打印TA15力學性能(來源:康普錫威)

            鈦合金在金屬3D打印材料市場中一直處于領先地位,根據《Market Analysis Report》,其在2019年占全球收入的65.3%,這不僅取決于用量,也取決于價格。航空航天業采用3D打印制造鈦合金原型成為促進增長的主要因素,而它在重量、強度和腐蝕性方面滿足行業要求的能力使其能夠保持可持續性的增長。

            得益于應用市場的發力,鈦合金粉末的價格在近年來快速下降,無論國產還是進口,價格基本在1300-1800元/公斤,并還有進一步下降的趨勢和空間。得益于此,鈦合金3D打印的應用領域也逐漸超出航空航天的應用范圍,開始向汽車及大工業領域拓展, 國產鈦合金3D打印粉末市場正在蓬勃發展。

           
          標簽: 鈦合金
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