3D 打印用高品質(zhì)Ti4822 合金鑄錠制備技術(shù)的分析研究

張保林，劉振華，李 莎

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程學(xué)院，陜西咸陽 712000）

0 引言

隨著航空領(lǐng)域?qū)Ω邷亟Y(jié)構(gòu)材料性能要求的不斷提高，國內(nèi)外航空設(shè)備生產(chǎn)廠商迫切需要能滿足要求的輕質(zhì)耐高溫材料，Ti-Al 合金以在600～900℃具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，兼具良好的高溫強(qiáng)度、抗氧化、抗燃燒、密度低等優(yōu)點(diǎn)，成為新一代航空領(lǐng)域最具應(yīng)用潛力的結(jié)構(gòu)材料。Ti-48Al-2Nb-2Cr（簡稱Ti4822）合金作為航空航天領(lǐng)域中最具應(yīng)用潛力的結(jié)構(gòu)材料，目前在其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面還缺乏成熟的制備技術(shù)。

近年來，金屬3D 打印技術(shù)日趨成熟，將金屬3D 打印技術(shù)應(yīng)用于鈦鋁合金零件的制備，不僅突破了傳統(tǒng)Ti-Al 合金工程化應(yīng)用低、難加工的技術(shù)瓶頸，而且顯著提高鈦鋁合金材料的利用率、節(jié)約了制造成本。目前，國外已經(jīng)采用金屬3D 打印技術(shù)制備Ti-Al 材質(zhì)的飛機(jī)零部件，并成功應(yīng)用于飛機(jī)上。

因此，3D 打印用高品質(zhì)Ti4822 合金鑄錠制備技術(shù)的開發(fā)研究分析，具有巨大的市場發(fā)展?jié)摿Γ瑢Πl(fā)展航空工業(yè)有重大意義。

3D 打印用高品質(zhì)Ti4822 合金鑄錠制備技術(shù)的分析研究可以采用真空自耗電弧熔煉（VAR）技術(shù)，研發(fā)用于制備金屬3D 打印粉料用的高品質(zhì)Ti4822 鈦合金熔煉技術(shù)。主要應(yīng)做好以下的分析研究工作。

1 高品質(zhì)Ti4822 鈦合金鑄錠熔煉工藝研究

由原料和中間合金經(jīng)熔煉得到合金鑄錠是制備金屬3D 打印用粉料的前提保證。合金鑄錠的成型性與熔煉電流、熔煉電壓、自耗電極速率、冷卻速率等熔煉參數(shù)密切相關(guān)。Ti4822 鈦合金在高溫區(qū)存在兩個(gè)Al 含量范圍較窄的包晶反應(yīng)區(qū)，直接影響合金的顯微組織、織構(gòu)及元素分布，合金鑄錠的宏觀成分偏析與熔煉方法、熔煉參數(shù)的控制有關(guān)，微觀偏析和織構(gòu)與凝固冷卻反應(yīng)有關(guān)。通過優(yōu)化冷卻速率可有效細(xì)化鑄態(tài)合金晶粒，改善織構(gòu)狀態(tài)。在一定冷卻速率下，高溫α 相不經(jīng)擴(kuò)散直接轉(zhuǎn)變?yōu)棣?相；隨冷卻速率增大，可獲得片層組織、γ相和過冷保留的α2相。但通常Ti4822 鈦合金為層片狀組織、全層片狀組織，具有室溫下低延展性，在較高的冷卻速率下極易因熱應(yīng)力而開裂形成微裂紋（又稱本征脆性）。因此，合理選擇熔煉工藝參數(shù)對合金鑄錠的成型性、組織、性能等均有具有重要意義，主要開展電流、電壓、自耗電極速率、冷卻速率等參數(shù)間的耦合關(guān)系對鑄錠的成型性影響規(guī)律研究，熔煉參數(shù)對合金本征脆性的影響規(guī)律研究。

2 Ti4822 鈦合金中Al 元素的精確調(diào)控研究

Al 元素作為Ti4822 鈦合金中最主要的兩個(gè)元素之一，其含量對合金的凝固組織形態(tài)及凝固形成的物相類別有很大的影響，對合金的高溫強(qiáng)度、室溫塑性、抗氧化性能、蠕變抗力、耐腐蝕性能等綜合性能產(chǎn)生重要的決定意義。對于Ti4822 鈦合金而言，影響Al 元素精確控制的因素主要有兩個(gè)方面，一方面是Al 元素的密度相比Ti 元素小得多，在真空熔融狀態(tài)下Al 元素分布不均勻，易于形成宏觀偏析；另一方面由于合金熔煉采用真空自耗熔煉技術(shù)，Al 元素飽和蒸汽壓低、熔點(diǎn)低，在真空狀態(tài)下易揮發(fā)、易燒損，導(dǎo)致難于精確控制Al 元素含量，且作為輕元素對其進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析也非常困難。因此，可以采取以下兩種方式來精確調(diào)控Ti4822 鈦合金中Al 元素。

（1）采用直流、交流兩種穩(wěn)弧電流類型，通過調(diào)整不同類型穩(wěn)弧電流大小，調(diào)整熔池深度、熔液駐留時(shí)間等參數(shù)，降低Al 元素的宏觀偏析。

（2）針對Al 元素熔點(diǎn)低、飽和蒸汽壓低、熔融狀態(tài)揮發(fā)大的問題，進(jìn)行真空自耗電弧爐改造。在保證高真空的前提下，改造為氬氣可控氣氛爐，研究不同氬氣壓力條件下Al 元素的揮發(fā)規(guī)律；同時(shí)，對冷卻水的溫度進(jìn)行控制，具備冷卻水從4～40℃水溫可調(diào)，實(shí)現(xiàn)在不同冷卻速度下進(jìn)行真空或充氬功能，研究冷卻場對熔融狀態(tài)下Al 元素?fù)]發(fā)的影響，探索一種適合Ti-Al 合金熔煉時(shí)Al 元素精確控制的方法。

3 鑄錠高純凈度、穩(wěn)定性控制技術(shù)的研究

高純凈合金鑄錠是制備合格金屬3D 打印用粉料的前提保障。Ti4822 鈦合金與其他金屬間化合物一樣，其性能除了取決于顯微組織、成分，還敏感地依賴于凝固和熱加工造成的缺陷。在合金中添加Cr、Nb 等元素，可細(xì)化晶粒，提高合金塑性，改善高溫性能，如強(qiáng)度、抗氧化能力和蠕變抗力。合金鑄錠中的C、N、H、O 等雜質(zhì)元素和氣體夾雜會引起冶金缺陷、微裂紋等，降低合金的使用性能。因此，應(yīng)該嚴(yán)格控制氣體、夾雜物及有害元素的含量。

4 結(jié)語

通過以上這些3D 打印用高品質(zhì)Ti4822 合金鑄錠制備技術(shù)方面的分析研究工作，確保制備的Ti4822 鈦合金鑄錠達(dá)到以下技術(shù)指標(biāo)：Al 元素成分均勻，且滿足以下技術(shù)條件要求（極限偏差控制在≤10%以內(nèi)），雜質(zhì)元素C 含量≤0.008%（wt%）、N 含量≤0.05%（wt%）、O 含量≤0.08%（wt%）、H 含量≤0.01%（wt%）范圍內(nèi)，為其在金屬3D 打印產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面提供技術(shù)儲備，為工業(yè)化生產(chǎn)積累相關(guān)數(shù)據(jù)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。而且，Ti4822 鈦合金鑄錠的均勻化和高純度研究，對其他鈦合金材料同樣具有借鑒意義。