3D打印TC4钛合金粉末制备方法及组织性能研究
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此制备方法是以不同的合金丝材为原料，经工 艺加工为球形粉末方法。最早由加拿大 Raymor 公司 自主开发，并拥有自主制造设备，在业内有一定的影 响力。采用这种技术生产的球形粉末细粉具有出粉 率高，杂质少，工作效率高等优点，适合钛合金粉末 研制，但也有微量“卫星球”和极少量的粘附现象，对 使用性能影响不明显。 1.1.3 气体雾化法
TC4 钛合金的组成为 Ti-6Al-4V，属于（琢+茁）型 钛合金，具有良好的综合力学机械性能，比强度大、 耐腐蚀性能优良[3]，生物相ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ性好等而被广泛应用于 航空航天、石油化工、生物医学等领域。本文对 3D 打
印钛合金粉末几种主要的制备方法进行比较，选择 等离子旋转电极法制备钛合金粉末，并讨论了钛合 金粉末成球机理，对其微观组织的演变规律进行了 探索性研究，讨论了主要的热处理方法，为 3D 打印 技术 TC4 钛合金的应用提供必要的理论基础。
中图分类号：TG146.2
文献标识码：A
文章编号：1672-545X（2018）08-0181-04
3D 打印（ Three Dimensional Printing）是快速成型 技术之一。利用粉末状塑料或金属等可粘合性材料，通 过离散堆积原理[1]，根据三维实体模型，通过分层软件， 按一定厚度进行分层，将三维数字模型转换成厚度很 薄的二维平面模型，再逐层打印构成实物的技术。
气体雾化法是借助高速气流来击碎金属液流， 快速凝固后形成粉末的方法，此方法只需克服液体 金属原子间作用力就能使之分散，任何能形成液体 的材料基本上都可进行雾化，目前应用较多的有真 空雾化法和惰性气体雾化法。气体雾化法制备的钛 合金粉，具有快速凝固成型，粉末颗粒无空心、球形 度较好等特点，但出粉率低，生产成本高。现阶段国 内大多采用的雾化技术生产钛及钛合金粉末，出粉 率都不高。 1.2 不同制备工艺比较
收稿日期：2018-05-25 基金项目：安徽省教育厅高校自然科学研究重点项目（KJ2018A0581） 作者简介：孙小燕（1978-），女，安徽池州人，副教授，主要研究方向：金属材料及热处理工艺。
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Equipment Manufacturing Technology No.08，2018
艺制备可以调整电极转速控制粉末粒径，是获得较 为理想的球形粉末方式之一。具有球形度高，粉末流 动性好，送装密度高，表面光洁等特点，打印过程控 制可靠，不易产生析出性气体、裂纹等缺陷。但由于 离心速度的限制，制得的钛合金粉末粒度较粗，且粒 度分布区间相对集中，成本较高，生产率低。 1.1.2 等离子丝材雾化法
《装备制造技术》2018 年第 08 期
材料工程
3D 打印 TC4 钛合金粉末制备方法及组织性能研究
孙小燕 1，2，殷韦韦 1，袁 力 1，2
（1.池州学院机电工程学院，安徽 池州 247000； 2.先进材料制备与成形技术工程研究中心，安徽 池州 247000）
摘 要：3D 打印技术是一种快速成型技术，钛及钛合金由于具有优异的物理、化学和力学性能，广泛应用于多个领域，钛 及钛合金粉末是 3D 打印重要的原料。介绍了制备钛及钛合金粉末的几种主要方法，重点阐述了等离子旋转电极雾化法 制备钛合金粉末的原理，并对其微观组织演变规律和热处理方法进行了研究。研究结果表明，此方法制备的 TC4 钛合金 粉末，易获得近球形的颗粒粉末，表面光洁，流动性好，具有良好的粉末特征；钛合金的显微组织由粗大柱状晶组成，柱状 晶沿着堆积层的方向生长，由于温度梯度的影响，远离基材区域的晶粒尺寸大于靠近基材区域的晶粒尺寸，原始柱状晶 的内部微观组织由细针状 琢 相马氏体组成。采用固溶 + 时效热处理，加以空冷的冷却方式，使得在 970 ℃/AC/1h+540 ℃/AC/4h 条件下形成的网篮组织，强度和塑性都较好，其性能满足 TC4 合金 3D 打印要求。 关键词：TC4 钛合金；3D 打印；微观组织；热处理
钛合金粉末经 3D 打印生产出来的产品，性能具 有硬度高、热膨胀系数低和良好的耐腐蚀性等优点。 1.1 比较钛合金粉末主要的三种制备方法[6] 1.1.1 等离子旋转电极法
此制备方法是电极用金属或合金制成，端面受 电弧加热熔融为液体，在自身高速离心力作用下，将 液体抛出粉碎为细小液滴，然后冷凝成粉末，这种工
1 3D 打印材料 TC4 合金粉末的制备方法
3D 打印按材料不同有不同类型，其中金属粉末 作为 3D 打印的主要原料之一，需采用纯度较高的金 属粉体作原料，粉体的相关参数如化学成分、颗粒形 状、粒度大小及粒度分布、流动性等对 3D 打印成型 的质量有很大影响。钛及钛合金材料以其特有的性 能，被制备成粉末后，满足 3D 打印金属材料的要求， 但制备的难度也很大。目前，较为成熟的 3D 打印钛 合金粉末制备的主要技术有：等离子旋转电极法、等 离子丝材和气体雾化法等[4-5]。
钛合金具有高强度，低弹性模量和低密度，极好 的抗疲劳性和耐腐蚀性等优点，迅速增长的激光 3D 打印行业的领先材料[2]，特别得到航空航天和医疗领 域的青睐。钛合金根据退火态下组织分为 琢 型、茁 型 及 琢+茁 型三类 。牌号是“T”后分别跟 A、B、C 和顺序 数字号，如 TA4耀TA8 表示 琢 型；TB1耀TB2 表示 茁 型； 而 TC1耀TC10 表示 琢+茁 型。琢 型钛合金室温强度较低 （滓b 约 850 MPa），但高温（500耀600 益）强度（500 益 时，滓b = 400 MPa）和蠕变强度却居钛合金之首；且该 类合金组织稳定，耐蚀性优良，塑性及加工成型性 好，还具有优良的焊接性能和低温性能；茁 型钛合金 在淬火态塑性韧性很好，冷成型性好；但该合金密度 大，组织不够稳定，耐热性差，使用不太广泛；琢+茁 型 钛合金兼有 琢 型及 茁 型钛合金的特点，有非常好的 综合性能，应用最为广泛。
上述几种球形钛及钛合金粉末制备方法是当前 国内外研究和生产试验的主流方向，第一种方法设 备造价低，制得的钛合金粉末球形度好，但得到的粉 末粒度较粗，这个可以通过调节参数控制粉末粒度 的粗细。第三种制得的合金粉末球形度好粒度小，制 备种类也较多，但国内应用技术还不是很成熟。气体 雾化法粉末颗粒细，粉末含氧量低，对原料没有特殊 要求，但生产成本较高。
TC4 钛合金的组成为 Ti-6Al-4V，属于（琢+茁）型 钛合金，具有良好的综合力学机械性能，比强度大、 耐腐蚀性能优良[3]，生物相ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ性好等而被广泛应用于 航空航天、石油化工、生物医学等领域。本文对 3D 打
印钛合金粉末几种主要的制备方法进行比较，选择 等离子旋转电极法制备钛合金粉末，并讨论了钛合 金粉末成球机理，对其微观组织的演变规律进行了 探索性研究，讨论了主要的热处理方法，为 3D 打印 技术 TC4 钛合金的应用提供必要的理论基础。
中图分类号：TG146.2
文献标识码：A
文章编号：1672-545X（2018）08-0181-04
3D 打印（ Three Dimensional Printing）是快速成型 技术之一。利用粉末状塑料或金属等可粘合性材料，通 过离散堆积原理[1]，根据三维实体模型，通过分层软件， 按一定厚度进行分层，将三维数字模型转换成厚度很 薄的二维平面模型，再逐层打印构成实物的技术。
气体雾化法是借助高速气流来击碎金属液流， 快速凝固后形成粉末的方法，此方法只需克服液体 金属原子间作用力就能使之分散，任何能形成液体 的材料基本上都可进行雾化，目前应用较多的有真 空雾化法和惰性气体雾化法。气体雾化法制备的钛 合金粉，具有快速凝固成型，粉末颗粒无空心、球形 度较好等特点，但出粉率低，生产成本高。现阶段国 内大多采用的雾化技术生产钛及钛合金粉末，出粉 率都不高。 1.2 不同制备工艺比较
收稿日期：2018-05-25 基金项目：安徽省教育厅高校自然科学研究重点项目（KJ2018A0581） 作者简介：孙小燕（1978-），女，安徽池州人，副教授，主要研究方向：金属材料及热处理工艺。
181
Equipment Manufacturing Technology No.08，2018
艺制备可以调整电极转速控制粉末粒径，是获得较 为理想的球形粉末方式之一。具有球形度高，粉末流 动性好，送装密度高，表面光洁等特点，打印过程控 制可靠，不易产生析出性气体、裂纹等缺陷。但由于 离心速度的限制，制得的钛合金粉末粒度较粗，且粒 度分布区间相对集中，成本较高，生产率低。 1.1.2 等离子丝材雾化法
《装备制造技术》2018 年第 08 期
材料工程
3D 打印 TC4 钛合金粉末制备方法及组织性能研究
孙小燕 1，2，殷韦韦 1，袁 力 1，2
（1.池州学院机电工程学院，安徽 池州 247000； 2.先进材料制备与成形技术工程研究中心，安徽 池州 247000）
摘 要：3D 打印技术是一种快速成型技术，钛及钛合金由于具有优异的物理、化学和力学性能，广泛应用于多个领域，钛 及钛合金粉末是 3D 打印重要的原料。介绍了制备钛及钛合金粉末的几种主要方法，重点阐述了等离子旋转电极雾化法 制备钛合金粉末的原理，并对其微观组织演变规律和热处理方法进行了研究。研究结果表明，此方法制备的 TC4 钛合金 粉末，易获得近球形的颗粒粉末，表面光洁，流动性好，具有良好的粉末特征；钛合金的显微组织由粗大柱状晶组成，柱状 晶沿着堆积层的方向生长，由于温度梯度的影响，远离基材区域的晶粒尺寸大于靠近基材区域的晶粒尺寸，原始柱状晶 的内部微观组织由细针状 琢 相马氏体组成。采用固溶 + 时效热处理，加以空冷的冷却方式，使得在 970 ℃/AC/1h+540 ℃/AC/4h 条件下形成的网篮组织，强度和塑性都较好，其性能满足 TC4 合金 3D 打印要求。 关键词：TC4 钛合金；3D 打印；微观组织；热处理
钛合金粉末经 3D 打印生产出来的产品，性能具 有硬度高、热膨胀系数低和良好的耐腐蚀性等优点。 1.1 比较钛合金粉末主要的三种制备方法[6] 1.1.1 等离子旋转电极法
此制备方法是电极用金属或合金制成，端面受 电弧加热熔融为液体，在自身高速离心力作用下，将 液体抛出粉碎为细小液滴，然后冷凝成粉末，这种工
1 3D 打印材料 TC4 合金粉末的制备方法
3D 打印按材料不同有不同类型，其中金属粉末 作为 3D 打印的主要原料之一，需采用纯度较高的金 属粉体作原料，粉体的相关参数如化学成分、颗粒形 状、粒度大小及粒度分布、流动性等对 3D 打印成型 的质量有很大影响。钛及钛合金材料以其特有的性 能，被制备成粉末后，满足 3D 打印金属材料的要求， 但制备的难度也很大。目前，较为成熟的 3D 打印钛 合金粉末制备的主要技术有：等离子旋转电极法、等 离子丝材和气体雾化法等[4-5]。
钛合金具有高强度，低弹性模量和低密度，极好 的抗疲劳性和耐腐蚀性等优点，迅速增长的激光 3D 打印行业的领先材料[2]，特别得到航空航天和医疗领 域的青睐。钛合金根据退火态下组织分为 琢 型、茁 型 及 琢+茁 型三类 。牌号是“T”后分别跟 A、B、C 和顺序 数字号，如 TA4耀TA8 表示 琢 型；TB1耀TB2 表示 茁 型； 而 TC1耀TC10 表示 琢+茁 型。琢 型钛合金室温强度较低 （滓b 约 850 MPa），但高温（500耀600 益）强度（500 益 时，滓b = 400 MPa）和蠕变强度却居钛合金之首；且该 类合金组织稳定，耐蚀性优良，塑性及加工成型性 好，还具有优良的焊接性能和低温性能；茁 型钛合金 在淬火态塑性韧性很好，冷成型性好；但该合金密度 大，组织不够稳定，耐热性差，使用不太广泛；琢+茁 型 钛合金兼有 琢 型及 茁 型钛合金的特点，有非常好的 综合性能，应用最为广泛。
上述几种球形钛及钛合金粉末制备方法是当前 国内外研究和生产试验的主流方向，第一种方法设 备造价低，制得的钛合金粉末球形度好，但得到的粉 末粒度较粗，这个可以通过调节参数控制粉末粒度 的粗细。第三种制得的合金粉末球形度好粒度小，制 备种类也较多，但国内应用技术还不是很成熟。气体 雾化法粉末颗粒细，粉末含氧量低，对原料没有特殊 要求，但生产成本较高。