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SLM金屬3D打印TC4鈦合金粉末特性及成形性能

   2022-05-30 3560

  鈦合金中Ti-6Al-4V(TC4)合金材料應用最為成熟,TC4合金是一種典型的α+β兩相合金,其成分含有6%的穩定α相元素Al及4%穩定β相元素V,兼顧了α相和β相的優點。因其具有密度低、耐熱和耐腐蝕性優異、比強度高等特點,在航空航天、生物醫療等領域都得到廣泛應用。選區激光熔化技術(Selective Laser Melting,SLM)作為一種增材制造技術,可實現復雜結構金屬構件的材料-結構一體化凈成形,為航空航天、生物醫療高性能構件的設計與制造提供了新的工藝。

  盤星新金屬 TC4粉末特性

  盤星TC4粉末采用電極感應熔煉氣霧化EIGA技術進行制備,TC4粉末成分要求及測試值如表1所示。

△表1 TC4粉末化學成分

  制粉過程中,通過控制關鍵參數,實現連續、穩定、高效生產。收粉后,通過篩分、氣流分級、合批等工序制備15-53μmTC4粉末。15-53μm粉末粒度分布見下表2所示,粉末粒度分布呈正態分布,符合技術要求。

△表2 TC4(15-53μm)粒度分布

  TC4粉末具有優異的綜合性能,流動性好,松裝密度高、振實密度高,見表3。

△表3 TC4(15-53μm)粉末綜合性能

  經過氣流分級處理,0-53μm粉末去除掉0-20μm細粉,粉末因物理吸附而產生的粘連情況和霧化過程中形成的衛星粉情況得到改善,粉末具有較好球形度,且球形粉表面變形量小,見圖1。

△圖1 TC4(15-53μm)粉末形貌(×100、×200)

  盤星新金屬TC4粉末選區激光打印

  采用GE Concept Laser M2型打印機完成TC4標準試樣的打印,保護氣為高純度氬氣,成形前將基板預熱至200℃,參數設置見表4。采用NB 380M型真空熱處理爐完成TC4標準試樣的熱處理,熱處理制度為800℃,保溫時間4h,隨爐冷至室溫,如下圖2所示。

△表4 SLM打印主要工藝參數

△圖2 M2打印機與真空熱處理爐

  TC4粉末以直接成形的方式打印成標準試樣,其尺寸如下圖3所示。

△圖3 標準試樣尺寸圖

  在標準試樣的打印過程,粉末共計循環6次進行循環打印試驗。如下表5所示,6次循環打印試樣的抗拉強度極差值為22MPa、屈服強度的極差值為37MPa,每次強度之間的差異小于5%,無明顯差異。延伸率之間極差值1.2%,均值為14.4%,可判斷6次循環打印試樣的延伸率無明顯差異,見圖4。

圖4 TC6循環6次力學性能穩定性

  因而,在6次循環打印過程中,打印試樣的力學性能無明顯差異,即TC4粉末至少可以循環打印6次而試樣性能不發生明顯變化。打印試樣抗拉強度的均值為1027MPa,屈服強度的均值為938MPa,延伸率的均值為14.4%。

△表5 循環打印試樣性能參數表

  TC4粉末選區激光3D打印的應用

  航空航天

  有權威機構指出,航空航天是增材制造技術研發與工業應用最有望獲得突破的領域,其應用范圍已從零部件級(飛機、衛星、高超飛行器、載人飛船的零部件打?。┌l展至整機級(發動機、無人機、微/納衛星整機打?。?。

  隨著航空技術發展,飛機的設計越來越看重復雜大型整體化結構設計,這是飛機結構輕量化設計的重要發展方向。飛機傳統設計受限于傳統制造技術,一些創新存在“設計得出,造不出”的問題,而增材制造技術的發展為復雜創新結構制造的實現提供契機。選區激光熔化技術作為典型的增材制造技術,在輕量化高性能結構及結構一體化領域有明顯優勢,為復雜創新型結構“設計得出,造得出”提供途徑。TC4材料作為典型的中溫鈦合金,可應用于制造發動機機匣、進氣口葉片、梁和承力結構件。

  生物醫療

  從20世紀80年代起,鈦合金就已經逐漸被用于口腔修復、牙體種植、義齒支架等領域。時至今日,鈦合金作為生物醫用植入材料研究熱點,在醫療方面的應用已涉及到人工關節、血管支架、骨科器械等。TC4作為一種常用生物醫用鈦合金,已經在我國臨床應用。傳統的鈦合金加工方法是鑄造法,操作復雜,精度差、成本高且污染環境。目前,選區激光打印鈦及鈦合金被廣泛應用于制作冠橋修復體、牙種種植、義齒支架、種植體基臺等牙科領域,以及人工關節假體(如髖、膝踝、肩、肘等)、骨結合產品、骨創傷產品和脊柱內固定系統等骨科領域。

  在牙科領域,SLM技術能夠進行定制化加工,可生產精密個性化修復體,臨床應用效果最佳,該技術在制作牙科支架、冠橋方面已經較為成熟。

  在骨科領域,多孔鈦合金抗腐蝕性能、生物相容性以及與人骨相匹配的力學性能優異,是人體理想的骨科替代物植入體。多孔鈦材料設計獨特的多孔結構和粗糙的內外表面,有利于成骨細胞的粘附、增值和分化,促使新骨組織生長,有利于植入體與骨之間形成一個整體。

△左:選區激光打印TC4在牙科領域的應用 。右:選區激光打印TC4在骨科領域的應用

  選區激光打印技術模仿自然結構特定的復雜設計能力是傳統制造方法無法比擬的,同時能夠實現對患者進行定制化服務,可滿足不同人群對精準醫療的需求。


 
標簽: TC4鈦合金
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