激光3D打印用TC4合金粉末的制备研究

芸，刘

洁

（贵阳学院机械工程学院，贵州贵阳550005）

【摘要】激光3D打印是一种快速成型技术，合金粉末作为激光3D打印的重要原料之一，

粉末的相关参数会直接影响打印成型的质量。文章介绍了激光3D打印用TC4合金粉末的3种制备方法，包括等离子旋转电极法、等离子丝材雾化法与气体雾化法，并以等离子旋转电极法为例分析了利用此法制备TC4合金粉末的原理，并探讨了其微观组织演变规律与热处理方法，表明利用此方法制得的TC4合金粉末具有良好特征，可以很好地满足激光3D打印的要求。【关键词】激光3D打印；TC4合金粉末；制备【中图分类号】TG146.23；TB383.3【文献标识码】A【文章编号】1674-0688（2019）01-0057-03

0引言激光3D打印是利用粉末状的塑料或金属作为可黏合性材料，利用离散堆积原理，依三维实体模型，经分层软件将其进行分层后将三维模型转换成二维模型，再进行逐层打印而形成实物的一种快速成型技术。合金因具有高强度、低弹性模量与低密度、良好抗疲劳性与强耐腐蚀性而广泛应用于3D打印行业。TC4合金更是因具有高强度、耐腐蚀与良好综合力学机械性能而在各行业与领域当中发挥重要作用。的出粉率及工作效率均较高。1.3气体雾化法气体雾化法是利用高速气流将金属液流进行击碎，再经快速凝固成为粉末的方法。气体雾化法只需抑制原材料原子之间的作用力即可将其进行分散，当前多数可形成液体的金属材料均可实施雾化，所使用的气体雾化方法主要有真空雾化法与惰性气体雾化法。利用气体雾化法所制得的合金粉末可快速凝固成型，无空心现象，球形度较高，但此法的出粉率偏低，且生产成本较高。当前国内利用此法生产合金粉末的出粉率都较低。1TC4合金粉末的制备方法1.1等离子旋转电极法等离子旋转电极法的电极是利用金属或合金制成，其端面经电弧加热后会熔为液体，在高速离心力的作用下，所产生的液体会被抛出并粉碎成为细小的液滴，再经冷凝即成为粉末。此制备方法可通过对电极的转速进行调节而实现对粉末粒径的控制，从而获得相对理想的球形粉末。利用此法所制得的粉末球形度较高，流动性较好，且具有高送装密度，表面光滑，打印时极易控制，有效减少了打印过程中气体、裂纹等现象出现。但因离心速度的，所制得的粉末粒度较粗，分布区间过于集中，且生产成本较高，生产效率偏低。1.4各种制备方法的比较上述3种制备方法均为当前国内外生产试验的主流方法，其中利用等离子旋转电极法所制得的TC4合金粉末的球形度较好，但粒度较粗，在实际使用时可通过对参数进行调节来控制粉末粒度；利用等离子丝材雾化法所制得的TC4合金粉末的球形度较好，粉末粒度较小，且制备种类较多，但国内的应用技术尚未成熟，无法广泛推广使用；利用气体雾化法所制备的TC4合金粉末颗粒较细、含氧量较低，且对原料要求较低，但其生产成本较高。不同的制备方法各有千秋，经比较分析，建议选择等离子旋转电极法进行TC4合金粉末的制备。1.2等离子丝材雾化法等离子丝材雾化法的原料为各类合金丝材，经加工而成为球形粉末。等离子丝材雾化法起源于加拿大Raymor公司，此制备方法由其自行开发，并配有专业制造设备。采取等离子丝材雾化法制得的合金粉末杂质较少，极少数存在“卫星球”或黏附现象，不会对其性能产生较大影响。等离子丝材雾化法2激光3D打印用TC4合金粉末的组织性能分析2.1实验材料与方法本实验所选择的材料为利用等离子旋转电极法所制备的TC4合金粉末，实验方法为利用专业仪器对其化学成分进行分析。经分析显示，此TC4合金粉末的化学成分及其质量分数分别为Al（6.25%）、Fe（0.27%）、V（3.92%）、C（0.1%）、【基金项目】本文相关研究获贵阳市科技局贵阳学院专项资金资助（项目编号：GYU-KYZ〔2019〕06）。

【作者简介】韩志嵘，男，江苏无锡人，硕士，贵阳学院机械工程学院副教授，研究方向：物理、汽车电子电气、传感器；林芸，女，福建福州人，本科，贵阳学院机械工程学院教授，研究方向：机械设计制造、轻金属复合材料；刘洁，男，江苏南京人，硕士，贵阳学院机械工程学院副教授，研究方向：汽车维修技术。

qiyekejiyufazhan

57

企业科技创新N（0.006%）、Si（0.1%）、O（0.12%）、H（0.005%）、Ti（.23%）。由此可知，粉末所含H、N、O的总量较低，与高性能产品的打印要求相符。另外，利用此方法所制备的TC4合金粉末颗粒的形状近似球形，表面光滑，具有良好的流动性，杂质较少，经电镜扫描SEM照片与单个粉末颗粒的照片如图1、图2所示。从图中可以看出，TC4合金粉末颗粒呈球形分布时，其具有良好的成形性能，再加上其近似球形，因此，将其应用于激光3D打印时也具有良好的流动性。2.2实验结果分析2.2.1粉末的成球机理

利用等离子旋转电极法所制得的TC4合金粉末其形状近似球形，且表面光滑，具有良好的流动性，非常符合激光3D打印的要求。经分析发现，利用等离子旋转电极法所制得的TC4合金粉末的成球机理主要包括3个阶段（如图3所示）：第1阶段，利用高速气流对经热熔的合金液滴造成冲击，使其被拉长，成为一层极薄的波浪形液体膜，并能远离气体中心；第2阶段，受气压影响，脱离出来的合金液滴非常不稳定，经液体表面的张力作用，再经喷吹断裂，即会成为一种椭圆形的液滴；第3阶段，椭圆形液滴在气压与液体表面的张力作用下，再次破碎成为若干个小液滴，再经表面的张力作用，在下降时便有收缩成球的趋势，经冷却即凝固成球形。利用等离子旋转电极法制备TC4合金粉末可通过对相关参数进行控制而图1TC4合金粉末的SEM照片图2单个粉末颗粒的照片

123图3TC4合金粉末成形示意图58

qiyekejiyufazhan

2019年第1期（总第447期）获得激光3D打印所需的粉末粒径，并控制其粒径分布。2.2.2微观组织演变规律

本次试验的TC4合金粉末的横截面金相组织照片如图4所示。受离子束的作用，TC4合金粉末会成为一个圆形的熔池，熔池温度自中心至边缘逐步降低，呈高斯分布状。也正是因为温度上的差异，TC4合金粉末的熔化程度也有所不同。中心温度较高处的粉末基本充分熔化，而位于边缘处温度较低的粉末却基本未熔化，或是熔化不充分，致熔池中心与边缘区域的晶粒微观组织的形貌与尺寸也有所不同。利用脉冲打点对粉末进行熔覆可减少因温度差而造成的熔化差异，利用后一热源对合金粉末进行热熔的同时，给予前一光斑边缘区以能量补充，实施重熔，那么晶粒将能量进行吸收，并沿能量来源方向继续生长。TC4合金粉末纵截面的金相组织照片如图5所示。利用金相显微镜对TC4合金粉末进行观察可发现，其显微组织是一种粗大的β柱状晶。在图中可以清楚地看到晶界，并能发现柱状晶是沿堆积层的方向生长的，生长至晶界处时即停止生长，而与基材区距离较远的柱状晶会沿外延继续生长，并有长大的现象。经分析可知，在进行激光3D打印时，其所产生的温度会影响TC4合金粉末的显微组织。当利用离子束将后部分合金粉末进行熔化时，前部分的合金粉末相当于再次接受到了热量，TC4合金粉末的β相具有较大的自扩散系数，一点点微小的能量即可促进晶粒继续生长。因此，在对后部分合金200滋m图4TC4合金粉末横截面的金相组织照片

50滋m图5TC4合金粉末纵截面的金相组织照片

2019年第1期（总第447期）企业科技创新粉末进行加热熔化时，前部分合金粉末的β柱状晶会产生长大或过热的情况。2.2.3热处理方法

对TC4合金粉末采取不同的热处理方法，其金相组织也会有所变化。TC4合金粉末采取3种不同热处理方法的金相组织照片如图6所示。由图6可以看出，采取沉积态方法进行热处理的TC4合金粉末的金相组织为α固溶体与β固溶体的相互混合；采取970℃/AC/1h+0℃/AC/4h进行热处理的TC4合金粉末的金相组织为网篮组织；而采取970℃/FC/1h进行热处理的TC合金粉末的金相组织为由网篮组织与球化α相相互混合的双态组织。网篮组织具有较好的高温蠕变性能，且强度高、塑性好，而由网篮组织与球化α相相互混合的双态组织其强度虽高，但塑性较差。图6

（3）970℃/FC/1h采取不同热处理方法进行处理的TC4合金粉末的金相组织照片

40滋m40滋m40滋m（1）沉积态（2）970℃/AC/1h+0℃/AC/4h参考文献

［1］孙小燕，殷韦韦，袁力

184

［2］张宁，陈岁元，于笑，等

284

［3］陈岁元，董欢欢，刘常升，等EIGA法制备激光3D打印

用TC4合金粉末［J］东北大学学报（自然科学版），2017，38（4）：497-501

［责任编辑：钟声贤］激光3D打印TC4球形合金

（4）：277-粉末的制备［J］材料与冶金学报，2016，15

3D打印TC4钛合金粉末制备

方法及组织性能研究［J］装备制造技术，2018（8）：181-

3结语总而言之，当前激光3D打印用TC4合金粉末的制备方法较多，其中利用等离子旋转电极法所制得的粉末其球形度较好，表面光滑，具有良好的流动性，符合激光3D打印的要求。TC4合金粉末的横截面与纵截面的显微组织分别为自中心至边缘呈辐射状的柱状晶与沿堆积层方向生长的柱状晶，通过控制热源能量，可对合金粉末的显微组织进行控制，同时选择恰当的热处理还可提高粉末的强度与塑性，以使其更符合激光3D打印的要求。（上接第56页）

文梳理三者在大量文献中所理解的体系外，还建立一种可以考虑到市场化程度、产权性质可以影响的思考框架。变更———中国的经验证据［J］经济管理，2012，34（2）：57-65

［7］杨道广，陈汉文，刘启亮

媒体压力与企业创新［J］媒体关注、环境规制与企业媒体关注度、分析师关注度

经济研究，2017，52（8）：125-139［8］王云，李延喜，马壮，等［9］周开国，应千伟，陈晓娴［10］唐国平，李龙会

环保投资［J］南开管理评论，2017，20（6）：83-94（2）：139-152与盈余预测准确度［J］金融研究，2014

股权结构、产权性质与企业环保投

资———来自中国A股上市公司的经验证据［J］财经问题研究，2013（3）：93-100［11］杨风

媒体治理、政治关联与研发投资———来自创业

板上市公司的经验证据［J］科技进步与对策，2016，33（21）：76-82［12］陈东，陈爱贞

40（2）：69-83

［责任编辑：邓进利］

GVC嵌入、政治关联与环保投资———

来自中国民营企业的证据［J］山西财经大学学报，2018，

参考文献

［1］沈洪涛，冯杰

监督、监管与企业环境信息披

媒体监督影响企业绩效机制

露［J］会计研究，2012（2）：72-78［2］姚益龙，梁红玉，宁吉安

研究———来自中国快速消费品行业的经验证据［J］中国工业经济，2011（9）：151-160［3］梁红玉，姚益龙，宁吉安［4］周开国，应千伟，钟畅

究，2016（6）：193-206［5］李培功，沈艺峰

媒体的公司治理作用：中国的经验证

媒体监督、政治关联与高管

据［J］经济研究，2010，45（4）：14-27［6］吴超鹏，叶小杰，吴世农

媒体监督、公司治理与代理媒体监督能够起到外部治理的

成本［J］财经研究，2012，38（7）：90-100

作用吗？———来自中国上市公司违规的证据［J］金融研

qiyekejiyufazhan

59