一種制備增材制造專用Ti6Al4V合金粉末工藝方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種制備增材制造專用Ti6Al4V合金粉末工藝方法，該工藝方法在保證原料純度的基礎上，將真空水冷銅坩堝感應熔煉和多級超聲霧化有機的結(jié)合起來，在保證熔煉過程中鈦合金不被氧化且金屬熔體的溫度和成分均勻，獲得一致的過熱度，還能在防止堵嘴現(xiàn)象發(fā)生的同時還能防止液滴在冷卻過程中發(fā)生粘附形成非球形顆粒，可使粉末顆粒更細更均勻，能夠達到增材制造對粉末材料的粒度分布、松裝密度、氧含量、流動性等性能要求的高標準。
【專利說明】—種制備增材制造專用Ti6AI4V合金粉末工藝方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬材料領(lǐng)域，具體地，涉及一種制備增材制造專用Ti6A14V合金粉末的工藝方法。

【背景技術(shù)】
[0002]制造業(yè)一直是國民經(jīng)濟的支柱，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，制造業(yè)也在不斷的進步和創(chuàng)新。被俗稱為“3D打印”的增材制造技術(shù)正是在此形勢下發(fā)展起來的一類新型制造技術(shù)，作為減材制造和等材制造兩類傳統(tǒng)制造技術(shù)的重要補充，增材制造技術(shù)正在受到越來越廣泛的重視。增材制造技術(shù)是通過CAD數(shù)據(jù)采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術(shù)，是一種自下而上材料累加的制造方法，通過一層層的逐層制造，可以完成幾乎任意幾何形狀幾何體的制造。增材制造可以成型傳統(tǒng)制造技術(shù)無法成型的自由曲面、中空結(jié)構(gòu)和多孔結(jié)構(gòu)等形狀復雜的零件，具有成型周期短、制造效率高、節(jié)約材料的優(yōu)點。
[0003]而金屬增材制造技術(shù)由于可以直接成型組織致密、冶金結(jié)合的金屬零件，成為了增材制造領(lǐng)域最前沿的技術(shù)。金屬增材制造主要包括激光凈成型(LENS)、激光選區(qū)燒結(jié)(SLS)、激光選區(qū)熔化(SLM)和電子束選區(qū)熔化(EBM)等幾種成型技術(shù)。金屬增材制造的成型材料主要是預合金金屬粉末，該類成型技術(shù)對金屬粉末的質(zhì)量要求較高，只有粉末粒徑較細，含氧量較低的球形粉末才能夠滿足要求。目前應用較多的材料有不銹鋼粉末、鈦合金粉末、鎳基合金粉末和鈷鉻鑰合金粉末。
[0004]鈦合金密度低，比強度高，耐腐蝕性、機械性能好,韌性和抗蝕性能很好,且生物相容性優(yōu)異，被廣泛用于航空航天、航海、化工、發(fā)電、汽車、體育休閑、醫(yī)療等領(lǐng)域。但是，鈦合金的工藝性能差，切削加工困難，在熱加工中，非常容易吸收氫氧氮碳等雜質(zhì)，抗磨性差，生產(chǎn)工藝復雜。因此增材制造技術(shù)很適合應用在鈦合金零件的生產(chǎn)制造中。
[0005]在眾多的鈦合金種類中，Ti6A14V合金粉末是性能較好，應用最廣的鈦合金粉末。目前已經(jīng)有很多高校和科研院所使用SLM和LENS技術(shù)制造出了高致密度的鈦合金零件，例如德國EOS公司應用SLM技術(shù)生產(chǎn)的鈦合金牙橋牙冠已經(jīng)應用在了臨床口腔醫(yī)學之中，北京航天航空大學應用LENS技術(shù)生產(chǎn)出了大尺寸的鈦合金飛機零部件，華南理工大學采用自主研發(fā)的SLM成型機制造出了高質(zhì)量的鈦合金膝關(guān)節(jié)假體。可以發(fā)現(xiàn)，隨著金屬增材制造的不斷發(fā)展，適用于該制造技術(shù)的鈦合金粉末的市場需求也將越來越大。
[0006]但是目前應用在增材制造領(lǐng)域中的鈦合金還存在以下的問題:第一，鈦合金粉末中的氧含量無法滿足要求，較高的氧含量會對成型過程造成影響，降低鈦合金成型件的質(zhì)量；第二，材料標準化及系列化規(guī)范缺乏，增材制造對粉末材料的粒度分布、松裝密度、氧含量、流動性等性能要求很高，但目前還沒有形成一個行業(yè)性的標準；第三，鈦合金粉末成本較高，由于鈦合金粉末制取困難，國內(nèi)目前無法制造滿足要求的鈦合金粉末，主要依靠進口國外材料，使得材料的價格較高，影響了增材制造的推廣應用。
[0007]因此，本發(fā)明提供了一種適用于金屬增材制造的Ti6A14V合金粉末制備工藝，該制備工藝以制取低粒徑、低含氧量、高純度的球形鈦合金粉末為目的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種制備增材制造專用Ti6A14V合金粉末工藝方法，該工藝方法在保證原料純度的基礎上，將真空水冷銅坩堝感應熔煉和多級超聲霧化有機的結(jié)合起來，在保證熔煉過程中鈦合金不被氧化且金屬熔體的溫度和成分均勻，獲得一致的過熱度，還能在防止堵嘴現(xiàn)象發(fā)生的同時還能防止液滴在冷卻過程中發(fā)生粘附形成非球形顆粒，可使粉末顆粒更細更均勻，能夠達到增材制造對粉末材料的粒度分布、松裝密度、氧含量、流動性等性能要求的高標準。
[0009]本發(fā)明解決上述問題所采用的技術(shù)方案是:
一種制備增材制造專用Ti6A14V合金粉末工藝方法，包括以下步驟:
(I)將高純Ti粉和Al-V中間合金粉采用混合元素法按合金成分比例進行球磨混合均勻得混合粉，再采用冷等靜壓法將混合粉壓制成棒材塊體，所述合金成分比例為:A1:
5.5%?6.75%, V:3.5%?4.5%, Fe ( 0.3%, C 彡 0.1%，N 彡 0.05%, H 彡 0.015%, O 彡 0.2%,余量為Ti，其中Ti的純度達到99.9%以上；不同元素的進行合金制備時，會增加熔煉的難度，還容易產(chǎn)生成分偏析， 申請人:采用Al-V中間合金粉作為制備原料，有利于熔煉時的完全熔化，使溶液成分更均勻；另外 申請人:采用冷等靜壓的方式將原料混合粉末壓制成棒材塊體，更有利于提高合金的熔煉速率，和粉末狀的材料相比，熔煉速率更快。
[0010](2)合金熔煉:將步驟(I)的棒材塊體置于水冷銅坩堝中，將熔煉室抽真空，再通過電磁感應加熱熔化棒材塊體，并控制熔化后得到的鈦合金溶液的過熱度在190-210°C ;對鈦合金溶液的過熱度的適當設置，能夠增加鈦合金粉末在霧化過程中的冷凝時間，使得表面張力收縮液滴表面的作用時間增加，更加容易得到球形粉末，雖然理論上，過熱度越高，冷凝時間就越長，使表面張力收縮液滴表面的作用時間越長，得到球形粉末的幾率就越大，但 申請人:一開始對過熱度的掌控認知為零，是否存在極限過熱度，10°C以內(nèi)或者比高過鈦和的熔點的一半的溫度反而能得到粒徑和形狀都較好的產(chǎn)品呢？經(jīng)過無數(shù)次實驗才發(fā)現(xiàn)過熱度的控制不宜超出210°C，若超過210°C，雖然需要的冷凝時間較長，但是表面張力收縮作用過于急劇，反而不容易得到球形粉末，粉末的形狀多為不規(guī)則。
[0011](3)霧化制粉:將鈦合金粉熔煉后得到的金屬熔液經(jīng)由多級環(huán)孔噴射的99.999%的高純氬氣高壓氣流霧化成細小液滴，并使霧化后的細小顆粒在重力作用下降落，在降落過程中細小顆粒通入惰性氣流，在惰性氣流的冷卻下將細小顆粒凝固形成粉末，而表面張力收縮液滴表面的作用能夠使得細小顆粒成為球形粉末，所述多級環(huán)孔噴嘴為4-8圈環(huán)孔噴嘴，所述高壓為2-10MPa ;現(xiàn)有技術(shù)多采用單環(huán)孔噴嘴霧化的方式進行霧化制粉，這種霧化制粉存在的缺陷就是容易發(fā)生堵嘴現(xiàn)象，由于是單環(huán)噴孔的噴射力量有限，液滴之間也容易粘附在一起而形成行星球顆粒(非圓球形顆粒)，設置多環(huán)噴孔或許是很好的選擇，但實際上在【技術(shù)領(lǐng)域】上要實現(xiàn)多環(huán)噴孔對氣體加壓裝置要求很高，現(xiàn)有技術(shù)無法解決或繞過這點。本申請在單環(huán)噴孔的基礎上，設置4-8圈的多級環(huán)孔噴射裝置，并設置多級環(huán)孔噴射裝置的安裝方向與鈦合金溶液下落方向成V形夾角，并設置高純氬氣的壓強為2-10Mpa內(nèi)且高純氬氣噴射速度設置在500-800m/s，能夠繞過對氣體加壓裝置要求高的問題，從而成功應用多級環(huán)孔噴嘴霧化技術(shù)，防止堵嘴現(xiàn)象以及液滴在冷卻過程中發(fā)生的粘附現(xiàn)象進而形成行星球顆粒，這種多級環(huán)孔噴嘴霧化技術(shù)由于多級環(huán)孔噴嘴的設置能夠使細小鈦合金溶液液滴快速冷卻，液滴之間不會發(fā)生粘附行為，且還能使得制得的粉末顆粒更細更均勻。
[0012](4)將步驟(3)得到的粉末帶動到粉末分級系統(tǒng)中進行不同粒徑的粉末分級儲存得到Ti6A14V合金粉末。不同粒徑的粉末由于質(zhì)量不同被分級存儲。另外在整個制備過程中，都有氧含量檢測儀對霧化過程以及粉末分級系統(tǒng)進行氧含量實時檢測。
[0013]所述高純鈦粉采用海綿鈦通過電解還原法制得，含氧量低于50ppm。
[0014]所述水冷銅坩堝為分塊式，包括多個弧形銅塊組成，多個所述弧形銅塊間彼此絕緣且都能產(chǎn)生感應電流從而強化磁場產(chǎn)生強烈攪拌作用促進棒材塊體快速熔化并獲得棒材塊體自身一致的過熱度。
[0015]所述步驟(3)中鈦合鈦合金溶液的下落方向與多級環(huán)孔噴嘴成V形夾角。
[0016]所述步驟(3)中高純氬氣的噴出速度為500_800m/s。
[0017]綜上，本發(fā)明的有益效果是:
1、本發(fā)明采用Al-V中間合金粉作為生產(chǎn)Ti6A14V合金的原料，有利于熔煉時高純鈦粉的完全熔化，能夠避免產(chǎn)生偏析現(xiàn)象，使溶液成分更均勻。
[0018]2、本發(fā)明在把控原料配制的基礎上，采用真空水冷銅坩堝熔煉和多級環(huán)孔噴嘴超聲霧化技術(shù)有機結(jié)合，在保證熔煉過程中鈦合金不被氧化且金屬熔體的溫度和成分均勻，獲得一致的過熱度，還能在防止堵嘴現(xiàn)象發(fā)生的同時防止液滴在冷卻過程中發(fā)生粘附形成非球形顆粒，可使粉末顆粒更細更均勻，能夠達到增材制造對粉末材料的粒度分布、松裝密度、氧含量、流動性等性能要求的高標準。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是Ti6A14V合金粉末的微觀形貌圖；
圖2是Ti6A14V合金粉末的的粒徑分布圖。

【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步地的詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。且現(xiàn)有技術(shù)環(huán)孔噴嘴超聲霧化技術(shù)也僅僅采用單級方式進行制造，
本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思:1、不同元素的進行合金制備時，會增加熔煉的難度，還容易產(chǎn)生成分偏析， 申請人:采用Al-V中間合金粉作為制備原料，有利于熔煉時的完全熔化，使溶液成分更均勻；另外 申請人:采用冷等靜壓的方式將原料混合粉末壓制成棒材塊體，更有利于提高合金的熔煉速率，和粉末狀的材料相比，熔煉速率更快；
2、對鈦合金溶液的過熱度的適當設置，能夠增加鈦合金粉末在霧化過程中的冷凝時間，使得表面張力收縮液滴表面的作用時間增加，更加容易得到球形粉末，雖然理論上，過熱度越高，冷凝時間就越長，使表面張力收縮液滴表面的作用時間越長，得到球形粉末的幾率就越大，但 申請人:一開始對過熱度的掌控認知為零，是否存在極限過熱度，10°C以內(nèi)或者比高過鈦和的熔點的一半的溫度反而能得到粒徑和形狀都較好的產(chǎn)品呢？經(jīng)過無數(shù)次實驗才發(fā)現(xiàn)過熱度的控制不宜超出210°C，若超過210°C，雖然需要的冷凝時間較長，但是表面張力收縮作用過于急劇，反而不容易得到球形粉末，粉末的形狀多為不規(guī)則；
3、現(xiàn)有技術(shù)多采用單環(huán)孔噴嘴霧化的方式進行霧化制粉，這種霧化制粉存在的缺陷就是容易發(fā)生堵嘴現(xiàn)象，由于是單環(huán)噴孔的噴射力量有限，液滴之間也容易粘附在一起而形成行星球顆粒(非圓球形顆粒)，設置多環(huán)噴孔或許是很好的選擇，但實際上在【技術(shù)領(lǐng)域】上要實現(xiàn)多環(huán)噴孔對氣體加壓裝置要求很高，現(xiàn)有技術(shù)無法解決或繞過這點。本申請在單環(huán)噴孔的基礎上，設置4-8圈的多級環(huán)孔噴射裝置，并設置多級環(huán)孔噴射裝置的安裝方向與鈦合金溶液下落方向成V形夾角，并設置高純氬氣的壓強為2-10Mpa內(nèi)且高純氬氣噴射速度設置在500-800m/s，能夠繞過對氣體加壓裝置要求高的問題，從而成功應用多級環(huán)孔噴嘴霧化技術(shù)，防止堵嘴現(xiàn)象以及液滴在冷卻過程中發(fā)生的粘附現(xiàn)象進而形成行星球顆粒，這種多級環(huán)孔噴嘴霧化技術(shù)由于多級環(huán)孔噴嘴的設置能夠使細小鈦合金溶液液滴快速冷卻，液滴之間不會發(fā)生粘附行為，且還能使得制得的粉末顆粒更細更均勻。
[0021]實施例1:
原料配制:將高純Ti粉和Al-V中間合金粉采用混合元素法按合金成分比例進行球磨混合均勻得混合粉，再采用冷等靜壓法將混合粉壓制成棒材塊體，合金成分比例為:A1:
5.5%, V:3.5%, Fe ( 0.3%, C 彡 0.1%，N 彡 0.05%, H 彡 0.015%, O 彡 0.2%,余量為 Ti，其中 Ti的純度達到99.9%以上。
[0022]合金熔煉:將上步的棒材塊體置于水冷銅坩堝中，將熔煉室抽真空，再通過電磁感應加熱熔化棒材塊體，并控制熔化后得到的鈦合金溶液的過熱度在190± 1°C。
[0023]霧化制粉:將鈦合金粉熔煉后得到的金屬熔液經(jīng)由多級環(huán)孔噴射的99.999%的高純氬氣高壓氣流霧化成細小液滴，并使霧化后的細小顆粒在重力作用下降落，在降落過程中細小顆粒通入惰性氣流，在惰性氣流的冷卻下將細小顆粒凝固形成粉末，而表面張力收縮液滴表面的作用能夠使得細小顆粒成為球形粉末，所述多級環(huán)孔噴嘴為4圈環(huán)孔噴嘴，所述高壓為2-1OMPa。
[0024]將上步得到的粉末帶動到粉末分級系統(tǒng)中進行不同粒徑的粉末分級儲存得到Ti6A14V合金粉末。不同粒徑的粉末由于質(zhì)量不同被分級存儲。另外在整個制備過程中，都有氧含量檢測儀對霧化過程以及粉末分級系統(tǒng)進行氧含量實時檢測。
[0025]實施例2
原料配制:將高純Ti粉和Al-V中間合金粉采用混合元素法按合金成分比例進行球磨混合均勻得混合粉，再采用冷等靜壓法將混合粉壓制成棒材塊體，合金成分比例為:A1:
6.75%, V:4.5%, Fe ( 0.3%, C 彡 0.1%，N 彡 0.05%, H 彡 0.015%, O 彡 0.2%，余量為 Ti，其中Ti的純度達到99.9%以上。
[0026]合金熔煉:將上步的棒材塊體置于水冷銅坩堝中，將熔煉室抽真空，再通過電磁感應加熱熔化棒材塊體，并控制熔化后得到的鈦合金溶液的過熱度在210± 1°C。
[0027]霧化制粉:將鈦合金粉熔煉后得到的金屬熔液經(jīng)由多級環(huán)孔噴射的99.999%的高純氬氣高壓氣流霧化成細小液滴，并使霧化后的細小顆粒在重力作用下降落，在降落過程中細小顆粒通入惰性氣流，在惰性氣流的冷卻下將細小顆粒凝固形成粉末，而表面張力收縮液滴表面的作用能夠使得細小顆粒成為球形粉末，所述多級環(huán)孔噴嘴為8圈環(huán)孔噴嘴，所述高壓為2-10MPa。
[0028]將上步得到的粉末帶動到粉末分級系統(tǒng)中進行不同粒徑的粉末分級儲存得到Ti6A14V合金粉末。不同粒徑的粉末由于質(zhì)量不同被分級存儲。另外在整個制備過程中，都有氧含量檢測儀對霧化過程以及粉末分級系統(tǒng)進行氧含量實時檢測。
[0029]實施例3 原料配制:將高純Ti粉和Al-V中間合金粉采用混合元素法按合金成分比例進行球磨混合均勻得混合粉，再采用冷等靜壓法將混合粉壓制成棒材塊體，合金成分比例為:A1:
6.0%, V:4.0%, Fe ( 0.3%, C 彡 0.1%，N 彡 0.05%, H 彡 0.015%, O 彡 0.2%,余量為 Ti，其中 Ti的純度達到99.9%以上。
[0030]合金熔煉:將上步的棒材塊體置于水冷銅坩堝中，將熔煉室抽真空，再通過電磁感應加熱熔化棒材塊體，并控制熔化后得到的鈦合金溶液的過熱度在200± 1°C。
[0031]霧化制粉:將鈦合金粉熔煉后得到的金屬熔液經(jīng)由多級環(huán)孔噴射的99.999%的高純氬氣高壓氣流霧化成細小液滴，并使霧化后的細小顆粒在重力作用下降落，在降落過程中細小顆粒通入惰性氣流，在惰性氣流的冷卻下將細小顆粒凝固形成粉末，而表面張力收縮液滴表面的作用能夠使得細小顆粒成為球形粉末，所述多級環(huán)孔噴嘴為6圈環(huán)孔噴嘴，所述高壓為2-10MPa。
[0032]將上步得到的粉末帶動到粉末分級系統(tǒng)中進行不同粒徑的粉末分級儲存得到Ti6A14V合金粉末。不同粒徑的粉末由于質(zhì)量不同被分級存儲。另外在整個制備過程中，都有氧含量檢測儀對霧化過程以及粉末分級系統(tǒng)進行氧含量實時檢測。
[0033]制備出的Ti6A14V合金粉末如圖1所示為高球形、且顆粒均勻無行星顆粒。
[0034]另外制備出的實施例1-實施例3的Ti6A14V合金粉末成分符合國際標準，如表I ;實施例3的Ti6A14V合金粉末粒度分布圖如圖2所示，因?qū)嵤├?、實施例2、實施例3的粒度分布圖均相似，因此僅展示其中一個即可。


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從表I和圖2可以看出利用本專利的工藝方法制備的Ti6A14V合金粉末純度高，化學成份滿足國標要求、粒徑分布均勻(化學成份滿足國標要求、粒徑分布均勻說明成分無偏析)、粉末平均粒徑可以達到10 μ m、氧含量可以低于50ppm、粉末形狀呈現(xiàn)高球形度、衛(wèi)星球顆粒極少，具有良好的流動性，粉末標準流速達到35s/50g，松裝密度達到3.lg/cm3。
[0036]制備出來的Ti6A14V合金粉末在激光選取熔化這種金屬3D打印技術(shù)的應用中，制取鈦合金牙橋牙冠，加工順利，制取出的鈦合金牙橋牙冠致密度高達99%以上，表面粗糙度Ra=8.9 μ m，抗拉強度大于900Mpa，性能良好，能夠滿足臨床應用的要求。
[0037]如上所述，可較好的實現(xiàn)本發(fā)明。
【權(quán)利要求】
1.一種制備增材制造專用Ti6A14V合金粉末工藝方法，其特征在于，包括以下步驟: 將高純Ti粉和Al-V中間合金粉采用混合元素法按合金成分比例進行球磨混合均勻得混合粉，再采用冷等靜壓法將混合粉壓制成棒材塊體，所述合金成分比例為:A1:5.5%?6.75%, V:3.5%?4.5%, Fe ( 0.3%, C 彡 0.1%，N 彡 0.05%, H 彡 0.015%, O 彡 0.2%,余量為Ti，其中Ti的純度達到99.9%以上； 合金熔煉:將步驟(I)的棒材塊體置于水冷銅坩堝中，將熔煉室抽真空，再通過電磁感應加熱熔化棒材塊體，并控制熔化后得到的鈦合金溶液的過熱度在190-210°C ； 霧化制粉:將鈦合金粉熔煉后得到的金屬熔液經(jīng)由多級環(huán)孔噴射的純度為99.999%的高純氬氣高壓氣流霧化成細小液滴，并使霧化后的細小顆粒在重力作用下降落，在降落過程中細小顆粒通入惰性氣流，在惰性氣流的冷卻下將細小顆粒凝固形成粉末，所述多級環(huán)孔噴嘴為4-8圈環(huán)孔噴嘴，所述高壓為2-10MPa ； 將步驟(3)得到的粉末帶動到粉末分級系統(tǒng)中進行不同粒徑的粉末分級儲存得到Ti6A14V合金粉末。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝方法，其特征在于，所述高純鈦粉采用海綿鈦通過電解還原法制得，含氧量低于50ppm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝方法，其特征在于，所述水冷銅坩堝為分塊式，包括多個弧形銅塊，多個所述弧形銅塊間彼此絕緣且都能產(chǎn)生感應電流從而強化磁場產(chǎn)生強烈攪拌作用促進棒材塊體快速熔化并獲得棒材塊體自身一致的過熱度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝方法，其特征在于，所述步驟(3)中鈦合鈦合金溶液的下落方向與多級環(huán)孔噴嘴均成V形夾角。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝方法，其特征在于，所述步驟(3)中高純氬氣的噴出速度為 500_800m/s。
【文檔編號】B22F9/08GK104148658SQ201410454311
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月9日
【發(fā)明者】李海英, 劉睿誠, 萬寧, 姚爽, 嚴東海 申請人:四川省有色冶金研究院有限公司