激光3D打印用TC4合金粉末的制备研究

激光3D打印是利用粉末状的塑料或金属作为可粘合性材料，利用离散堆积原理，依三维实体模型，经分层软件将其进行分层后将三维模型转换成二维模型，再进行逐层打印而形成实物的一种快速成型技术。合金因具高强度、低弹性模量与低密度、良好抗疲劳性与强耐腐蚀性而广泛应用于3D打印行业。TC4合金更是因具高强度、耐腐蚀与良好综合力学机械性能而在各行业与领域当中发挥着重要的作用。

1  TC4合金粉末的制备方法

1.1  等离子旋转电极法

等离子旋转电极法的电极是利用金属或是合金所制，其端面经电弧加热后会熔为液体，在高速离心力的作用下，所产生的液体会被抛出并粉碎成为细小的液滴，再经冷凝即成为粉末。此制备方法可通过对电极的转速进行高速而实现对粉末粒径的控制，从而获得相对理想的球形粉末。利用此法所制得的粉末其球形度较高，流动性较好，且具高送装密度，表面光滑，打印时极易控制，有效减少了打印过程当中气体、裂纹等现象的出现。但因离心速度的限制，所制得的粉末其粒度较粗，分布区间过于集中，且生产成本较高，生产率偏低。

1.2  等离子丝材雾化法

等离子丝材雾化法的原料为各类合金丝材，经加工而成为球形粉末。等离子丝材雾化法起源于加拿大的Raymor公司，此制备方法由其自行开发，并配有专业制造设备。采取等离子丝材雾化法制得的合金粉末杂质较少，极少数存在“卫星球”或粘附现象，不会对其性能产生较大影响。等离子丝材雾化法的出粉率及工作效率均较高。

1.3  气体雾化法

气体雾化法是利用高速气流将金属液流进行击碎，再经快速凝固成为粉末的方法。气体雾化法只需抑制原材料原子之间的作用力即可将其进行分散，当前多数可形成液体的金属材料均可实施雾化，所使用的气体雾化方法主要有真空雾化法与惰性气体雾化法。利用气体雾化法所制得的合金粉末可快速凝固成型，无空心现象，且球形度较高，但此法的出粉率偏低，且生产成本较高。当前国内利用此法生产合金粉末的出粉率都较低。

1.4  各种制备方法的比较

上述三种制备方法均为当前国内外生产试验的主流方法，其中利用等离子旋转电极法所制得的TC4合金粉末的球形度较好，但粒度较粗，在实际使用时可通过对参数进行调节来控制粉末的粒度；利用等离子丝材雾化法所制得的TC4合金粉末的球形度较好，粉末的粒度较小，且制备种类较多，但国内的应用技术尚未成熟，无法广泛推广使用；利用气体雾化法所制备的TC4合金粉末的颗粒较细、含氧量较低，且对原料的要求较低，但其生产成本较高。不同的制备方法各有千秋，经比较分析，建立选择等离子旋转电极法进行TC4合金粉末的制备。

2  激光3D打印用TC4合金粉末的组织性能分析

2.1  实验材料与方法

本实验所选择的材料为利用等离子旋转电极法所制备的TC4合金粉末，实验方法为利用专业仪器对其化学成分进行分析。经分析显示，此TC4合金粉末的化学成分及其质量分数分别为Al(6.25%)、Fe(0.27%)、V(3.92%)、C(0.1%)、N(0.006%)、Si(0.1%)、O(0.12%)、H(0.005%)、Ti(89.23%)。由此可知，粉末所含H、N、O的总量较低，与高性能产品的打印要求相符。

另外，利用此方法所制备的TC4合金粉末颗粒的形状近似球形，表面光滑，具良好流动性，杂质较少，经电镜扫描SEM照片与单个粉末颗粒的照片如图1、2。从图中可以看出，TC4合金粉末颗粒呈球形分布时，其具良好成形性能，再加上其近似球形，因此，将其应用于激光3D打印时也具良好流动性。   

图1  TC4合金粉末的SEM照片                    图2  单个粉末颗粒的照片

2.2  实验结果分析

2.2.1  粉末的成球机理

利用等离子旋转电极法所制得的TC4合金粉末其形状近似球形，且表面光滑，具良好流动性，非常符合激光3D打印的要求。经分析发现，利用等离子旋转电极法所制得的TC4合金粉末的成球机理主要包括三部分：第一部分，利用高速气流对经热熔的合金液滴造成冲击，使其被拉长，成为一层极薄的波浪形的液体膜，并能远离气体中心；第二部分，受气压影响，脱离出来的合金液滴非常不稳定，经液体表面的张力作用，再经喷吹断裂，即会成为一种椭圆形的液滴；第三部分，椭圆形液滴在气压与液体表面的张力作用下，再次破碎成为若干个小液滴，再经表面的张力作用，在下降时便有收缩成球的趋势，经冷却即凝固成球形。其具体过程如图3。利用等离子旋转电极法制备TC4合金粉末可通过对相关参数进行控制而获得激光3D打印所需的粉末粒径，并控制其粒径分布。

图3  TC4合金粉末成形示意图

2.2.2  微观组织演变规律

本次试验的TC4合金粉末的横截面金相组织照片见图4。受离子束的作用，TC4合金粉末会成为一个圆形的熔池，熔池温度自中心至边缘逐步降低，现高斯分布状。也正是因为温度上的差异，TC4合金粉末的熔化程度也有所不同。中心温度较高处的粉末基本充分熔化，而位于边缘处温度较低的粉末却基本未熔化，或是熔化不充分，致熔池中心与边缘区域的晶粒微观组织的形貌与尺寸也有所不同。利用脉冲打点对粉末进行熔覆可减少因温度差而造成的熔化差异，利用后一热源对合金粉末进行热熔的同时，给予前一光斑边缘区以能量补充，实施重熔，那么晶粒即会将能量进行吸收，并沿能量来源方向继续生长。

图4  TC4合金粉末横截面的金相组织照片

TC4合金粉末纵截面的金相组织照片见图5。利用金相显微镜对TC4合金粉末进行观察可发现，其显微组织是一种粗大的β柱状晶。在图中可以清楚地看到晶界，并能发现柱状晶是沿堆积层的方向生长的，生长至晶界处时即停止生长，而与基材区距离较远的柱状晶，其会沿外延继续生长，并有长大的现象。经分析可知，在进行激光3D打印时，其所产生的温度会影响TC4合金粉末的显微组织。当利用离子束将后部分合金粉末进行熔化时，前部分的合金粉末相当于再次接受到了热量，TC4合金粉末的β相具较大的自扩散系数，一点点微小的能量即可促进晶粒的继续生长。因此，在对后部分合金粉末进行加热熔化时，前部分合金粉末的β柱状晶会产生长大或是过热的情况。

图5  TC4合金粉末纵截面的金相组织照片

2.2.3  热处理方法

对TC4合金粉末采取不同的热处理方法，其金相组织也会有所变化。图6分别为TC4合金粉末分别采取沉积态(1)、970℃/AC/1h+540℃/AC/4h(2)与970℃/FC/1h(3)三种热处理方法下的金相组织照片。由图可以看出，采取沉积态方法进行热处理的TC4合金粉末的金相组织为α固溶体与β固溶体的相互混合；采取970℃/AC/1h+540℃/AC/4h进行热处理的TC4合金粉末的金相组织为网篮组织；而采取970℃/FC/1h进行热处理的TC合金粉末的金相组织为由网篮组织与球化α相相互混合的双态组织。网篮组织具较好的高温蠕变性能，且强度高、塑性好，而由网篮组织与球化α相相互混合的双态组织其强度虽高，但塑性较差。

(1)沉积态             (2) 970℃/AC/1h+540℃/AC/4h         (3) 970℃/FC/1h

图6  采取不同热处理方法进行处理的TC4合金粉末的金相组织照片

3  结语

总而言之，当前激光3D打印用TC4合金粉末的制备方法较多，其中利用等离子旋转电极法所制得的粉末其球形度较好，表面光滑，具良好流动性，极符合激光3D打印的要求。TC4合金粉末的横截面与纵截面的显微组织分别为自中心至边缘呈辐射状的柱状晶与沿堆积层方向生长的柱状晶，通过控制热源能量，可对合金粉末的显微组织进行控制，同时选择恰当的热处理还可提高粉末的强度与塑性，以使更符合激光3D打印的要求。

本文来源：《企业科技与发展》：http://www.zzqklm.com/w/qk/21223.html