盤星新金屬 | SLM金屬3D打印TC4鈦合金粉末特性及成形性能

南極熊導(dǎo)讀：3D打印已經(jīng)成為越來越受歡迎的制造技術(shù)，可以提供高的設(shè)計(jì)自由度，并具有優(yōu)化復(fù)雜幾何形狀和定制零件的巨大潛力。而使用選區(qū)激光熔化的TC4打印件所面臨的主要問題之一是性能的可靠性，盤星新金屬對(duì)鈦合金選區(qū)激光熔化應(yīng)用進(jìn)行了持續(xù)性研究，以確保材料性能及應(yīng)用結(jié)果的穩(wěn)定性，并形成了《盤星新金屬技術(shù)白皮書》，本文摘取部分內(nèi)容，如需了解更多，請(qǐng)登錄www.peshing.com

鈦合金中Ti-6Al-4V（TC4）合金材料應(yīng)用最為成熟，TC4鈦合金是一種典型的α+β兩相合金，其成分含有6%的穩(wěn)定α相元素Al及4%穩(wěn)定β相元素V，兼顧了α相和β相的優(yōu)點(diǎn)。因其具有密度低、耐熱和耐腐蝕性優(yōu)異、比強(qiáng)度高等特點(diǎn)，在航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。選區(qū)激光熔化技術(shù)(Selective Laser Melting，SLM)作為一種增材制造技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬構(gòu)件的材料-結(jié)構(gòu)一體化凈成形，為航空航天、生物醫(yī)療高性能構(gòu)件的設(shè)計(jì)與制造提供了新的工藝。

盤星新金屬 TC4粉末特性
盤星TC4粉末采用電極感應(yīng)熔煉氣霧化EIGA技術(shù)進(jìn)行制備，TC4粉末成分要求及測(cè)試值如表1所示。

△表1 TC4粉末化學(xué)成分

制粉過程中，通過控制關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定、高效生產(chǎn)。收粉后，通過篩分、氣流分級(jí)、合批等工序制備15-53μmTC4粉末。15-53μm粉末粒度分布見下表2所示，粉末粒度分布呈正態(tài)分布，符合技術(shù)要求。

△表2 TC4（15-53μm）粒度分布

TC4粉末具有優(yōu)異的綜合性能，流動(dòng)性好，松裝密度高、振實(shí)密度高，見表3。

△表3 TC4（15-53μm）粉末綜合性能

經(jīng)過氣流分級(jí)處理，0-53μm粉末去除掉0-20μm細(xì)粉，粉末因物理吸附而產(chǎn)生的粘連情況和霧化過程中形成的衛(wèi)星粉情況得到改善，粉末具有較好球形度，且球形粉表面變形量小，見圖1。

△圖1 TC4（15-53μm）粉末形貌（×100、×200）

盤星新金屬TC4粉末選區(qū)激光打印
采用GE Concept Laser M2型打印機(jī)完成TC4標(biāo)準(zhǔn)試樣的打印，保護(hù)氣為高純度氬氣，成形前將基板預(yù)熱至200℃，參數(shù)設(shè)置見表4。采用NB 380M型真空熱處理爐完成TC4標(biāo)準(zhǔn)試樣的熱處理，熱處理制度為800℃，保溫時(shí)間4h，隨爐冷至室溫，如下圖2所示。

△表4 SLM打印主要工藝參數(shù)

△圖2 M2打印機(jī)與真空熱處理爐

TC4粉末以直接成形的方式打印成標(biāo)準(zhǔn)試樣，其尺寸如下圖3所示。

△圖3 標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸圖

在標(biāo)準(zhǔn)試樣的打印過程，粉末共計(jì)循環(huán)6次進(jìn)行循環(huán)打印試驗(yàn)。如下表5所示，6次循環(huán)打印試樣的抗拉強(qiáng)度極差值為22MPa、屈服強(qiáng)度的極差值為37MPa，每次強(qiáng)度之間的差異小于5%，無明顯差異。延伸率之間極差值1.2%，均值為14.4%，可判斷6次循環(huán)打印試樣的延伸率無明顯差異，見圖4。

△圖4 TC6循環(huán)6次力學(xué)性能穩(wěn)定性

因而，在6次循環(huán)打印過程中，打印試樣的力學(xué)性能無明顯差異，即TC4粉末至少可以循環(huán)打印6次而試樣性能不發(fā)生明顯變化。打印試樣抗拉強(qiáng)度的均值為1027MPa，屈服強(qiáng)度的均值為938MPa，延伸率的均值為14.4%。

△表5 循環(huán)打印試樣性能參數(shù)表

TC4粉末選區(qū)激光3D打印的應(yīng)用


航空航天
有權(quán)威機(jī)構(gòu)指出，航空航天是增材制造技術(shù)研發(fā)與工業(yè)應(yīng)用最有望獲得突破的領(lǐng)域，其應(yīng)用范圍已從零部件級(jí)（飛機(jī)、衛(wèi)星、高超飛行器、載人飛船的零部件打�。┌l(fā)展至整機(jī)級(jí)（發(fā)動(dòng)機(jī)、無人機(jī)、微/納衛(wèi)星整機(jī)打印）。

隨著航空技術(shù)發(fā)展，飛機(jī)的設(shè)計(jì)越來越看重復(fù)雜大型整體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這是飛機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的重要發(fā)展方向。飛機(jī)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)受限于傳統(tǒng)制造技術(shù)，一些創(chuàng)新存在“設(shè)計(jì)得出，造不出”的問題，而增材制造技術(shù)的發(fā)展為復(fù)雜創(chuàng)新結(jié)構(gòu)制造的實(shí)現(xiàn)提供契機(jī)。選區(qū)激光熔化技術(shù)作為典型的增材制造技術(shù)，在輕量化高性能結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)一體化領(lǐng)域有明顯優(yōu)勢(shì)，為復(fù)雜創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)“設(shè)計(jì)得出，造得出”提供途徑。TC4材料作為典型的中溫鈦合金，可應(yīng)用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、進(jìn)氣口葉片、梁和承力結(jié)構(gòu)件。

生物醫(yī)療
從20世紀(jì)80年代起，鈦合金就已經(jīng)逐漸被用于口腔修復(fù)、牙體種植、義齒支架等領(lǐng)域。時(shí)至今日，鈦合金作為生物醫(yī)用植入材料研究熱點(diǎn)，在醫(yī)療方面的應(yīng)用已涉及到人工關(guān)節(jié)、血管支架、骨科器械等。TC4作為一種常用生物醫(yī)用鈦合金，已經(jīng)在我國(guó)臨床應(yīng)用。傳統(tǒng)的鈦合金加工方法是鑄造法，操作復(fù)雜，精度差、成本高且污染環(huán)境。目前，選區(qū)激光打印鈦及鈦合金被廣泛應(yīng)用于制作冠橋修復(fù)體、牙種種植、義齒支架、種植體基臺(tái)等牙科領(lǐng)域，以及人工關(guān)節(jié)假體（如髖、膝踝、肩、肘等）、骨結(jié)合產(chǎn)品、骨創(chuàng)傷產(chǎn)品和脊柱內(nèi)固定系統(tǒng)等骨科領(lǐng)域。

在牙科領(lǐng)域，SLM技術(shù)能夠進(jìn)行定制化加工，可生產(chǎn)精密個(gè)性化修復(fù)體，臨床應(yīng)用效果最佳，該技術(shù)在制作牙科支架、冠橋方面已經(jīng)較為成熟。如下圖5所示：
在骨科領(lǐng)域，多孔鈦合金抗腐蝕性能、生物相容性以及與人骨相匹配的力學(xué)性能優(yōu)異，是人體理想的骨科替代物植入體。多孔鈦材料設(shè)計(jì)獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)和粗糙的內(nèi)外表面，有利于成骨細(xì)胞的粘附、增值和分化，促使新骨組織生長(zhǎng)，有利于植入體與骨之間形成一個(gè)整體。如下圖6所示為SLM成形的TC4髖臼杯。

選區(qū)激光打印技術(shù)模仿自然結(jié)構(gòu)特定的復(fù)雜設(shè)計(jì)能力是傳統(tǒng)制造方法無法比擬的，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)患者進(jìn)行定制化服務(wù)，可滿足不同人群對(duì)精準(zhǔn)醫(yī)療的需求。

△圖5 選區(qū)激光打印TC4在牙科領(lǐng)域的應(yīng)用              △圖6 選區(qū)激光打印TC4在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用

盤星新金屬，致力于為客戶提供新型金屬材料解決方案。