航空高强β钛合金增材制造原材料国产化突破：PREP法制备TB6钛合金粉末的粒径可控性、卫星粉抑制技术及面向选区激光熔化/电子束熔化成形的工艺适配性研究

TB6钛合金作为β型钛合金，具有高比强度、比刚度和良好的耐蚀性，满足了飞机高机动性、高可靠性和长寿命的设计要求，其应用水平已成为衡量飞机选材先进程度的一个重要标志[1]。目前国内主要采用铸造、锻造结合机械加工的方法生产钛合金零件，然而，钛合金具有锻造温度范围窄、抗变形能力强、对生产环境敏感的微观结构特性等工艺特征，使用传统工艺生产加工钛合金零件时存在生产工艺复杂，材料利用率低，加工成本高等缺点，除此之外，传统的冶金方法易产生宏观冶金缺陷和偏析等问题，需要经过热处理进行消除[2-6]。

增材制造技术采用离散-堆积的思路，以三维数字模型为基础，通过激光或电子束沿特定轨迹扫描加工，将材料逐层堆积制造出实体的新兴制造技术，与传统机械制造工艺相比，增材制造技术具有材料利用率高、设计自由度高、复杂结构一体化成形、交付周期短、加工成本低等优点，广泛应用于航空航天领域[7]。2013年，美国Sciaky公司采用电子束熔丝沉积技术与锻件结合的组合制造技术为F-35飞机制造出了垂尾、襟翼副梁等零件，成本降低30%以上[8]，同年，北京航空航天大学采用增材制造技术制造出了歼-31飞机主承重件加强框架，与锻造技术相比，钛合金材料利用率提高了5倍，制造周期缩短了2/3，成本降低了1/2，同时，产品晶粒细小、成分均匀3];此外，在民机领域，增材制造技术也得以应用，GE公司通过增材制造技术制造的发动机电动开门系统(PDOS)支架，与传统制造方法相比，材料利用率提高90%，零件减重10%，该零件于2018年通过美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration，FAA)适航认证;2022年，汉莎航空技术公司通过钛合金激光选区熔化增材制造技术制造的“A-Link”零件,获得欧洲航空安全局(European Union Aviation Safety Agency，EASA)适航认证;中国商飞公司联合国内科研机构实现了钛合金激光选区熔化增材制造零件在C919飞机上的装机应用，并取得中国民航局(Civil Aviation Administration of China，CAAC)适航认证[8]。近年来，国内高校和科研机构在增材制造成形设备、制造工艺等方面的研究和工程化应用取得了突破性成果，但与国外相比，原材料的基础研究、制备工艺和产业化等方面仍存在较大差距，

就粉末原材料而言，国内研究起步较晚，制粉企业规模和产品质量都与国外先进水平有一定差距，在航空航天领域，甚至许多高品质钛合金粉末还主要依赖进口，国内自产粉末还存在粒径较大、氧含量较多，质量不稳定等问题[7]。

目前，钛合金粉末制备技术主要有电极感应熔炼气雾化法(electrode induction melting gas atomization，EIGA)、等离子雾化法(plasma atomization，PA)、等离子旋转电极雾化法(plasma rotating electrode process,PREP)等，制粉技术各有优缺点，比如EIGA法制备的粉末成分元素烧损极少，细粉收得率高，但氧增量难以控制，存在空心粉、卫星粉等缺陷;而PREP法制备的粉末具有球形度高、空心粉和卫星粉少、粒径分布集中、粉末尺寸可控等诸多优点[9-12]，但合金棒料直径小(小于50mm)和低转速时，PREP法制备的粉末粒径较粗，难以满足于激光选区熔化成型技术和电子束选区熔化成型技术对粉末粒径的要求[3]，陶宇等[13]研究者发现，可通过改变合金棒料直径、转速和等离子弧电流来控制粉末粒径，如采用超高速旋转电极雾化法可以制备出球形度高、粒度分布集中、杂质少、无空心粉，并且流动性好的钛合金粉末，可满足激光选区熔化成形技术和电子束选区熔化成形技术对粉末的要求[14]。

本实验研究了采用PREP技术制备的TB6钛合金粉末的物理特性，采用ImageJ软件，对粉末粒径进行统计，结合电镜扫描(scanning electron microscope，SEM)、电感耦合等离子体原子发射光谱法(Electron-coupled plasma atomic emission spectrometry，ICP-AES)等技术分析，研究电极转速对TB6钛合金粉末尺寸、形貌的影响，并分析了粉末粒径对O、N含量的影响等。

1、实验材料和方法

试验选用规格为∅65mm×600mm的TB6钛合金棒料作为原材料，其化学成分如表1。PREP制粉设备主要由雾化室、等离子枪装置、旋转进给机构和粉末收集装置构成，具体构成详见图1。

PREP法是通过动力机构带动金属棒料高速旋转，等离子枪产生的高温等离子弧作用于高速旋转的棒料端面，使棒料端面产生微区熔化，金属熔化层在高速离心力的作用下雾化成球形粉末，雾化全过程在惰性气氛的保护下进行[15-18]。粉末制备前，在TB6棒材一段开定位卡槽，并对棒材表面进行打磨清洗，以去除棒材表面的油污及氧化物，雾化室抽成真空后，通入高纯氩气(纯度99.99%)，对电极系统施加强电流，使TB6钛合金棒在电弧产生的高温下发生熔化，利用钛棒自身高速旋转产生的离心力将熔化的合金液滴抛出并瞬间凝固，形成TB6钛合金粉末，通过控制棒材转速调节合金粉末的粒径。本文选取的转速分别为20000r/min及28000r/min。使用JEOL-7500扫描电镜对粉末进行观察，使用ImageJ软件统计合金扫描电镜照片中粉末直径，获得TB6粉末的粒径分布，使用电感耦合等离子体原子发射光谱法分析不同粒径的合金粉末的氧和氮含量。

表1 TB6钛合金化学成分(质量分数)

Table 1 Chemical compositions of TB6 titanium alloy

%

2、结果与讨论

2.1 TB6钛合金粉末的粒径分布

图2和图3所示为20000r/min及28000r/min两种转速下获得TB6钛合金粉末的实际粒径分布直方图，PREP法制备的TB6钛合金粉末的粒径基本符合正态分布，TB6钛合金电极棒转速为20000r/min时，95%以上的粉末粒径在70~170μm之间;电极转速为28000r/min时，95%以上的粉末粒径在40~160μm之间;电极转速越快，合金粉末的粒径分布区间越大，并且小尺寸粉末所占的比例也越高。通过PREP法制备的TB6钛合金粉末流动性非常适宜3D打印及激光修复等要求，可使用不同目数的振动筛对TB6钛合金粉末的粒径及粒径分布区间进行进一步的筛选优化，以便满足特定需求[7]。

2.2粉末粒径对O、N含量的影响

由于所有TB6合金粉末均来自于同一根成分均匀的TB6棒材，针对不同转速的粉末，金属本身的合金元素如Ti、V、Fe及Al的含量不进行比较，仅比较对TB6钛合金粉末性能影响较大的O与N元素的差别。高的O、N含量将直接降低钛合金的力学性能。除此之外，钛合金粉末中的O、N元素会影响粉末的可压缩性及熔融烧结性能，O元素还会降低成型后钛合金构件的断裂延伸率，恶化塑韧性，因此TB6合金粉末中O、N元素的含量越少越好[19]。虽然粉末制备是在高纯氩气中进行，但O、N元素依然难以避免，本实验采用99.99%的高纯氩气作为保护气体，电极转速为28000r/min时获得不同粒径的TB6粉末中O、N元素的含量变化见表2。

等有害杂质，这对粉末的压缩和烧结性能不利，因此粉末封装要在氩气保护下进行;而大粒径的TB6合金粉末往往含有更少的O、N元素，这对成型后的金属基体是有利的，3D打印及激光修复用的TB6钛合金粉末应尽量减少外界暴露时间并密封保存。此外，虽然氮气在室温下不容易与钛合金粉末反应，但测试结果表明微米级的TB6钛合金粉末依然会吸附N元素。

2.3粉末微观形貌和相组成

表2 不同粒径的TB6钛合金粉末中O、N元素的质量分数

Table 2 Mass fractions of O and N elements in TB6 titanium alloy powders with different particle sizes%

从表2可以看出，整个粒度范围内N含量很低，当粉末颗粒接近100μm时，粉末中的N质量分数不高于0.0055%。随着粒径的降低，粉末中O、N元素的含量均明显增加，这主要因为粉末粒径较小，有较大的比表面积，反应活性也更大，在粉末制备及后续处理过程(包括转移、封装、测试等)中与外界接触时会吸附更多的氧气、氮气及水蒸气。

图4为电极转速28000r/min时制备的不同粒径TB6钛合金粉末微观形貌。由图4可以看出，PREP法制备的TB6钛合金粉末球形度极好，粉末颗粒呈规则球形。小粒径颗粒表面光亮圆滑，基本不存在卫星粉现象，适合于热等静压等成形工艺的要求。粉末粒径不同时，表面形貌也会存在一定差异，粒径较大的粉末颗粒表面呈现胞状枝晶组织，粉末表面存在很浅的凹凸不平，有少量微小缩孔;随着粉末粒径越小，金属微球的表面越光滑，胞状枝晶组织逐渐减少，说明粉末越小结晶现象就越不明显。以上现象主要由钛合金粉末不同的冷却速度造成，PREP制备的粉末是熔融金属液滴在高速运动中急速冷却形成的非平衡组织，其冷却速度根据表面积的不同可以达到10⁴~10⁷K/s，球体比表面积与球体直径成反比，因此粉末的粒径越小，其比表面积越大，冷却速度就越快，小尺寸熔融金属液滴凝固过程中的更易被“冻结”，结晶过程受到抑制，因此表面更加光滑;而大粒径粉末，凝固过程中冷却速度较慢，粉末内部形成更多晶粒，且不同晶粒间收缩速度不同，在粉末表面形成了明显的结晶组织，表面更加粗糙[20]。小尺寸的光滑粉末更有利于3D打印件的性能提升，但是小粉末流动性不好又不利于打印成形，因此钛合金粉末的很多特性是相互矛盾的，应根据实际需求选取最适宜的粉末粒径[21]。

对28000r/min转速条件下不同粒径的TB6钛合金粉末进行物相分析，发现粉末相组成主要为β-Ti(2θ≈38°附近)，同时发现含有少量α-Fe(2θ≈40°附近)。这是因为PREP法制备粉末为极速冷却过程，较细粉末冷却速度快，保持了高温时的β相，大粒径粉末相对冷却速度较慢，导致少量Fe析出，呈现“β斑”现象。

3、结论

(1)PREP法制备的TB6钛合金粉末球形度好，粒径分布集中，卫星粉极少，非常适用于选区激光熔融化成形及电子束选区熔化成形等增材制造技术。

(2)电极转速20000r/min时粉末粒径分布区间为70~170μm，转速为28000r/min时粉末粒径分布区间为40~160μm。粉末粒径随转速增加而明显减小，高电极转速下小粒径粉末的数量显著增加。

(3)较大粒径的粉末表面呈现胞状枝晶组织，粉末表面存在很浅的凹凸不平，有少量微小缩孔;随着粉末粒径减小，粉末表面越光滑，胞状枝晶组织逐渐减少，小粒径粉末由于比表面积大，散热更加迅速，粉末内结晶过程受到抑制，因此表面更加光滑，但粉末中O、N等杂质元素的含量随着合金粉末尺寸的减小而略有增加。

(4)对28000r/min转速条件下不同粒径的TB6钛合金粉末进行物相分析，发现粉末相组成主要为β-Ti相，同时发现含有少量α-Fe相。

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（注，原文标题：等离子旋转电极雾化法制备TB6钛合金粉末_刘志辉）