本發(fā)明涉及合金粉末的制備方法，尤其是涉及一種用于3D打印技術(shù)的TC4鈦合金粉末及其制備方法，屬于增材制造領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

3D打印技術(shù)是根據(jù)所設(shè)計(jì)的三維數(shù)字模型，通過3D打印設(shè)備逐層增加材料來制造三維零件產(chǎn)品的技術(shù)，這種逐層堆積成形技術(shù)又被稱作增材制造技術(shù)。3D打印技術(shù)綜合了數(shù)字建模、激光技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)等諸多領(lǐng)域的前沿技術(shù)，被譽(yù)為第三次工業(yè)革命的核心技術(shù)。近年來3D打印技術(shù)逐漸應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品的制造，其中金屬材料的3D打印技術(shù)發(fā)展尤其迅速。金屬3D打印技術(shù)作為整個(gè)3D打印體系中最前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。按照金屬粉末的添置方式將金屬3D打印技術(shù)分為三類：

(1)選區(qū)激光熔化技術(shù)(Selective Laser Melting,SLM)是采用激光有選擇性地分層燒結(jié)金屬粉末，并使燒結(jié)成形的固化層累積疊加生成所需形狀的零件。SLM打印技術(shù)最大的特點(diǎn)是采用高功率激光器對(duì)金屬粉末進(jìn)行直接熔化成形，以達(dá)到比較致密的組織結(jié)構(gòu)。

(2)激光工程化凈成形技術(shù)(Laser Engineered Net Shaping，LENS)是指在基底合金表面上預(yù)置或同步送給所選擇的金屬熔覆材料，然后經(jīng)激光處理使之與基底表層同時(shí)熔化，并快速凝固成與基底材料呈冶金結(jié)合的表面層，從而顯著改變基底材料的耐磨、耐蝕、耐熱等特性的工藝方法。

(3)電子束熔融技術(shù)(Electron Beam Melting,EBM)與SLM非常相似，最基本的差別在于熱源不同。EBM采用電子束作為熱源，保持零件建造過程溫度在退火溫度，對(duì)零件微觀結(jié)構(gòu)有明顯影響。

粉末的流動(dòng)性是所有用于3D打印技術(shù)的粉末材料的關(guān)鍵性能之一，較好的粉末流動(dòng)性有利于提高SLM、EBM過程中的鋪粉均勻性和LENS過程中送粉穩(wěn)定性，不僅能提高3D打印成形件的尺寸精度、表面質(zhì)量，也能提高成形件的密度及組織均勻性，大幅度減少零件的加工時(shí)間。

粉末的顆粒形貌直接決定粉末的流動(dòng)性，用不同霧化方法制備的粉末其形貌有所不同。常見的顆粒形貌有：球形、樹枝形、針狀、粒狀、片狀等，一般適用于3D打印技術(shù)的是球形粉末。顆粒球形度較高的粉末由于流動(dòng)性好，即便是比較細(xì)小的粉末，輸送過程也比較順利，相反顆粒球形度較低的粉末，流動(dòng)性差，導(dǎo)致鋪粉不均勻或者送粉不流暢，最終影響3D打印件的成形質(zhì)量。另外，由于非球形粉末表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，因此非球形粉末的3D打印成形件內(nèi)部存在一定的氣孔缺陷，而球形粉末的成形件內(nèi)部氣孔很少甚至沒有。

雖然顆粒球形度高的粉末的流動(dòng)性好，但球形顆粒堆積密度小，空隙大，使得成形件的相對(duì)密度小，并且球形顆粒之間兩兩相切，影響成形質(zhì)量。所以在球形顆粒粉末的實(shí)際使用中，需要根據(jù)不同的3D打印技術(shù)，對(duì)粉末進(jìn)行粒度配比、混合，以期實(shí)現(xiàn)不同顆粒的優(yōu)化組合，提高成形質(zhì)量。

用于3D打印技術(shù)的TC4鈦合金粉末具有不同于傳統(tǒng)粉末冶金所需要的粉末特性，不僅要求傳統(tǒng)粉末所須具備的高純度、低氧含量，同時(shí)還要求粉末球形度高、粒度分布優(yōu)化，并具有良好的流動(dòng)性和松裝密度。由于TC4鈦合金對(duì)雜質(zhì)成分敏感，現(xiàn)有霧化方法制備的粉末往往存在雜質(zhì)較多、球形度不高的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響粉末的3D打印成形性能，因此，需要一種能夠用于3D技術(shù)的TC4鈦合金粉末的制備方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種用于3D技術(shù)的TC4鈦合金粉末及其制備方法。使用本發(fā)明方法制備的TC4鈦合金粉末，在保證材料純凈、雜質(zhì)含量極低的基礎(chǔ)上，不僅粉末的球形度更高，具有更良好的流動(dòng)性，而且粉末的顆粒大小方便可控，能夠適用于不同形式的3D打印技術(shù)。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種用于3D打印技術(shù)的TC4鈦合金粉末的制備方法，包括以下步驟：

(1)棒材制備：對(duì)TC4鈦合金原料進(jìn)行加工，制備成TC4鈦合金電極棒材；

(2)霧化制粉：將TC4鈦合金電極棒材放入填充室后，對(duì)氣霧化設(shè)備整體抽真空，然后將惰性氣體充入整套氣霧化設(shè)備，由電極給進(jìn)裝置將TC4鈦合金電極棒材垂直送入熔化室，在熔化室設(shè)置圓錐形感應(yīng)線圈，對(duì)TC4鈦合金電極棒材前端末梢進(jìn)行持續(xù)熔煉，形成連續(xù)的液流或者液滴，熔融液體直接落入霧化噴盤的中心，從霧化噴盤噴出高速惰性氣流，在高速惰性氣流的沖擊作用下，合金溶液破碎成微細(xì)液滴，并在霧化塔內(nèi)凝固成球形的粉末顆粒，經(jīng)過冷卻水系統(tǒng)的冷卻后，粉末通過輸粉管道輸送至旋風(fēng)分離器內(nèi)，最終到達(dá)粉末收集罐，得到制備的TC4鈦合金粉末；

(3)粉末篩分：將步驟(2)制得的TC4鈦合金粉末充分冷卻后，按照不同金屬3D打印技術(shù)對(duì)粉末粒度的要求進(jìn)行篩分、分級(jí)，最終制得用于金屬3D打印技術(shù)的TC4鈦合金粉末。

步驟(1)所述的TC4鈦合金原料成分組成以重量百分比計(jì)符合如下要求：Al：5.5～6.8％，V：3.5～4.5％，F(xiàn)e≤0.30％，C≤0.08％，N≤0.05％，H≤0.015％，O≤0.20％，余量為Ti。

步驟(1)所述的TC4鈦合金電極棒材是直徑為40～50mm，長度為550mm，前端末梢為圓錐形的鈦合金棒材。

步驟(2)所述的氣霧化設(shè)備的冷態(tài)極限真空≤8Pa，泄漏和吸附率≤5Pa.l/s。

步驟(2)所述的惰性氣體為高純度氬氣，霧化塔內(nèi)部的氣體壓力為2.5～4MPa，惰性氣體流量為20～25m³/min。

步驟(2)中電極給進(jìn)裝置將TC4鈦合金電極棒材垂直給進(jìn)的速度為10～60mm/min，穩(wěn)態(tài)霧化速度為0.2～0.8kg/min，總循環(huán)時(shí)間(包括電極更換)為15～20min。

步驟(3)中，不同金屬3D打印技術(shù)對(duì)粉末粒度的要求分別為：

選區(qū)激光熔化技術(shù)：15～45μm；激光工程化凈成形技術(shù)：45～150μm；電子束熔融技術(shù)：45～100μm。

本發(fā)明方法制得的用于3D打印技術(shù)的TC4鈦合金粉末，呈球形，粒度為1～200μm，氧含量為800～1300ppm。

本發(fā)明用于3D打印技術(shù)的TC4鈦合金粉末的制備方法也可以在制備鎳基高溫合金、鈷鉻合金中得到應(yīng)用。

常規(guī)的金屬粉末改善、提高其流動(dòng)性的方法是添加分散劑，使粉末顆粒之間的摩擦減少，從而起到提高粉末流動(dòng)性的效果。但是用于3D打印的TC4鈦合金粉末要求粉末的雜質(zhì)含量在很低的水平，添加分散劑無疑會(huì)摻入更多的雜質(zhì)元素，對(duì)3D打印成形造成不利影響。粉末霧化生產(chǎn)中提高粉末顆粒球形度的方法是加大霧化筒體的尺寸，提高合金液滴的過熱度，但是提高霧化筒體的尺寸和合金的過熱度，會(huì)造成生產(chǎn)工藝不穩(wěn)定，生產(chǎn)成本增加，不利于3D打印技術(shù)的推廣應(yīng)用。

通過本發(fā)明的方法可以保證球形粉末顆粒的比例在90％以上，這樣使得制備的粉末可以全部用于3D打印技術(shù)，本發(fā)明制備方法的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)是結(jié)合不同的3D打印技術(shù)特點(diǎn)，將制備的粉末通過振動(dòng)篩分、氣流分級(jí)的方法，分別用于不同的金屬3D打印技術(shù)，大大提高了粉末的利用率，克服了常規(guī)3D打印用金屬粉末利用率太低的問題，降低了生產(chǎn)成本，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：

1、本發(fā)明制備的TC4鈦合金粉末雜質(zhì)含量低，粒徑分布均勻，粉末顆粒球形度高，平均球形度≥0.8，粉末流動(dòng)性好(≤45s/50g)，松裝密度高(≥2.2g/cm³)，通過3D打印得到的成形件組織均勻、致密，尺寸精度高，力學(xué)性能優(yōu)良。

2、本發(fā)明針對(duì)不同的金屬3D打印技術(shù)對(duì)粉末粒徑的要求，通過控制工藝，篩分、氣流分級(jí)等方法，制備適用于不同3D打印技術(shù)的TC4鈦合金粉末，提高了粉末的利用率，大大降低了生產(chǎn)成本。

附圖說明

圖1為氣霧化設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為氣霧化過程示意圖；

圖3為實(shí)施例1制得的TC4鈦合金粉末顆粒形貌圖；

圖4為實(shí)施例2制得的TC4鈦合金粉末顆粒形貌圖；

圖5為實(shí)施例3制得的TC4鈦合金粉末顆粒形貌圖。

具體實(shí)施方式

一種用于3D打印技術(shù)的TC4鈦合金粉末的制備方法，包括以下步驟：

(1)棒材制備：對(duì)TC4鈦合金原料進(jìn)行加工，制備成TC4鈦合金電極棒材；

(2)霧化制粉：霧化制粉使用的氣霧化設(shè)備如圖1、圖2所示，包括上下設(shè)置的填充室2、熔化室3與霧化塔4，在填充室2上方設(shè)置用于將TC4鈦合金電極棒材8垂直送入熔化室2的電極給進(jìn)裝置1，在熔化室3設(shè)置圓錐形感應(yīng)線圈6，在霧化塔4上方設(shè)置霧化噴盤7。霧化制粉過程為：將TC4鈦合金電極棒材放入填充室后，對(duì)氣霧化設(shè)備整體抽真空，然后將惰性氣體充入整套氣霧化設(shè)備，由電極給進(jìn)裝置將TC4鈦合金電極棒材垂直送入熔化室，在熔化室設(shè)置圓錐形感應(yīng)線圈，對(duì)TC4鈦合金電極棒材前端末梢進(jìn)行持續(xù)熔煉，形成連續(xù)的液流或者液滴，熔融液體直接落入霧化噴盤的中心，從霧化噴盤噴出高速惰性氣流，在高速惰性氣流的沖擊作用下，合金溶液破碎成微細(xì)液滴，并在霧化塔內(nèi)凝固成球形的粉末顆粒，經(jīng)過冷卻水系統(tǒng)的冷卻后，粉末通過輸粉管道輸送至旋風(fēng)分離器內(nèi)，最終到達(dá)粉末收集罐，得到制備的TC4鈦合金粉末；

(3)粉末篩分：將步驟(2)制得的TC4鈦合金粉末充分冷卻后，按照不同金屬3D打印技術(shù)對(duì)粉末粒度的要求進(jìn)行篩分、分級(jí)，最終制得用于金屬3D打印技術(shù)的TC4鈦合金粉末。

其中，步驟(1)所述的TC4鈦合金原料成分組成以重量百分比計(jì)符合如下要求：Al：5.5～6.8％，V：3.5～4.5％，F(xiàn)e≤0.30％，C≤0.08％，N≤0.05％，H≤0.015％，O≤0.20％，余量為Ti。

步驟(1)所述的TC4鈦合金電極棒材是直徑為40～50mm，長度為550mm，前端末梢為圓錐形的鈦合金棒材。

步驟(2)所述的氣霧化設(shè)備的冷態(tài)極限真空≤8Pa，泄漏和吸附率≤5Pa.l/s。步驟(2)所述的惰性氣體為高純度氬氣，霧化塔內(nèi)部的氣體壓力為2.5～4MPa，惰性氣體流量為20～25m³/min。步驟(2)中電極給進(jìn)裝置將TC4鈦合金電極棒材垂直給進(jìn)的速度為10～60mm/min，穩(wěn)態(tài)霧化速度為0.2～0.8kg/min，總循環(huán)時(shí)間(包括電極更換)為15～20min。

步驟(3)中，不同金屬3D打印技術(shù)對(duì)粉末粒度的要求分別為：選區(qū)激光熔化技術(shù)：15～45μm；激光工程化凈成形技術(shù)：45～150μm；電子束熔融技術(shù)：45～100μm。

該方法制得的用于3D打印技術(shù)的TC4鈦合金粉末，呈球形，粒度為1～200μm，氧含量為800～1300ppm。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例1：

采用以下步驟制備高球形度TC4鈦合金粉末：

(1)棒材制備：原材料成分為Ti：89.3％，Al：6.26％，V：4.22％，F(xiàn)e≤0.30％，C≤0.10％，N≤0.05％，H≤0.015％，O≤0.20％。

(2)霧化制粉：將一根TC4鈦合金棒材放入填充室后，對(duì)氣霧化設(shè)備整體抽真空，真空度為2.0Pa。然后將惰性氣體充入整套霧化設(shè)備，爐內(nèi)的霧化氣體壓力為3.7MPa。設(shè)定下降速度，將棒料垂直送入熔爐室，通過高頻感應(yīng)線圈，在25kw的熔化功率下，對(duì)電極前端末梢進(jìn)行持續(xù)熔煉，形成液流。在高速惰性氣流的沖擊作用下，合金溶液破碎成微細(xì)液滴，在霧化塔內(nèi)凝固成球形的粉末顆粒。經(jīng)過冷卻水系統(tǒng)的冷卻后，粉末通過管道輸送至旋風(fēng)分離器內(nèi)，最終到達(dá)粉末收集罐，得到制備的TC4鈦合金粉末。

(3)粉末篩分：將步驟(2)制得的TC4合金粉末按照選區(qū)激光熔化技術(shù)(SLM)對(duì)粉末粒徑的要求(15～45μm)進(jìn)行篩分、分級(jí)。

本實(shí)施例制備得到的TC4鈦合金粉末顆粒形貌如圖3所示，平均粒徑69.8μm，球形度0.89，流動(dòng)性41.2s/50g，松裝密度2.23g/cm3，粉末在EOS M290設(shè)備上進(jìn)行零件SLM成型，鋪粉過程中粉末流動(dòng)性好，成形零件變形小、組織結(jié)構(gòu)均勻，力學(xué)性能滿足零件的使用要求。

實(shí)施例2：

采用以下步驟制備高球形度TC4鈦合金粉末：

(1)棒材制備：原材料成分為Ti：89.3％，Al：6.26％，V：4.22％，F(xiàn)e≤0.30％，C≤0.10％，N≤0.05％，H≤0.015％，O≤0.20％。

(2)霧化制粉：將一根TC4鈦合金棒材放入填充室后，對(duì)氣霧化設(shè)備整體抽真空，真空度為1.9Pa。然后將惰性氣體充入整套霧化設(shè)備，爐內(nèi)的霧化氣體壓力為3.8MPa。設(shè)定下降速度，將棒料垂直送入熔爐室，通過高頻感應(yīng)線圈，在30kw的熔化功率下，對(duì)電極前端末梢進(jìn)行持續(xù)熔煉，形成液流。在高速惰性氣流的沖擊作用下，合金溶液破碎成微細(xì)液滴，在霧化塔內(nèi)凝固成球形的粉末顆粒。經(jīng)過冷卻水系統(tǒng)的冷卻后，粉末通過管道輸送至旋風(fēng)分離器內(nèi)，最終到達(dá)粉末收集罐，得到制備的TC4鈦合金粉末。

(3)粉末篩分：將步驟(2)制得的TC4合金粉末按照激光工程化凈成形技術(shù)(LENS)對(duì)粉末粒徑的要求(45～150μm)進(jìn)行篩分、分級(jí)。

本實(shí)施例制備得到的TC4鈦合金粉末顆粒形貌如圖4所示，平均粒徑70.4μm，球形度0.90，流動(dòng)性23.8s/50g，松裝密度2.59g/cm3，粉末在LSF-IVC設(shè)備上進(jìn)行零件LENS成型，粉末輸送流暢、穩(wěn)定，無飛濺現(xiàn)象，成形的零件無氣孔、疏松等缺陷，尺寸精度高。

實(shí)施例3：

采用以下步驟制備高球形度TC4鈦合金粉末：

(1)棒材制備：原材料成分為Ti：89.3％，Al：6.26％，V：4.22％，F(xiàn)e≤0.30％，C≤0.10％，N≤0.05％，H≤0.015％，O≤0.20％。

(2)霧化制粉：將一根TC4鈦合金棒材放入填充室后，對(duì)氣霧化設(shè)備整體抽真空，真空度為1.9Pa。然后將惰性氣體充入整套霧化設(shè)備，爐內(nèi)的霧化氣體壓力為3.9MPa。設(shè)定下降速度，將棒料垂直送入熔爐室，通過高頻感應(yīng)線圈，在30kw的熔化功率下，對(duì)電極前端末梢進(jìn)行持續(xù)熔煉，形成液流。在高速惰性氣流的沖擊作用下，合金溶液破碎成微細(xì)液滴，在霧化塔內(nèi)凝固成球形的粉末顆粒。經(jīng)過冷卻水系統(tǒng)的冷卻后，粉末通過管道輸送至旋風(fēng)分離器內(nèi)，最終到達(dá)粉末收集罐，得到制備的TC4鈦合金粉末。

(3)粉末篩分：將步驟(2)制得的TC4合金粉末按照電子束熔覆技術(shù)(EBM)對(duì)粉末粒徑的要求(45～100μm)進(jìn)行篩分、分級(jí)。

本實(shí)施例制備得到的TC4鈦合金粉末顆粒形貌如圖5所示，平均粒徑67.3μm，球形度0.91，流動(dòng)性31.9s/50g，松裝密度2.48g/cm3，粉末在Arcam Q20設(shè)備上進(jìn)行零件EBM成型，粉末鋪送均勻，成形的零件組織致密、變形小。

上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和使用發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。