球形钛合金粉末制备技术及航空增材制造应用研究进展

钛合金具有材质轻、比强度高、生物相容性好、耐腐蚀等特性，广泛应用于航空航天、医疗、化工和船舶制造等领域，其中钛合金在航空领域的应用潜力最大。钛合金可用于机身蒙皮、隔框、大梁、舱门、起落架、翼肋、紧固件导管、拉杆等部件，除此之外，钛合金在航空发动机领域也有一定的应用，可用于航空发动机的转动部件，如风扇、高压压气机盘和叶片等。合格的球形钛合金粉末应具备氧含量低（小于0.15%)、球形度高、松装密度高、流动性好、粒度细、粒径分布窄等特点，适用于增材制造技术（Additive manufacturing，AM）。

增材制造是一种先进的金属材料快速成形技术，该技术基于数字模型文件，使用金属粉末材料通过逐层打印构建制件，也称为 3D 打印技术 [1-4] 。

作为一种全新的金属材料制造工艺 [5-7] ，钛合金增材制造技术在航空构件的生产应用中具有突出的优势，主要体现在以下几个方面：缩短产品交付周期、提高材料利用率、优化零件结构、减轻质量、降低应力集中、增加使用寿命、便于零件的维修和成形，并且可以与传统制造技术互补。2013年，北京航空航天大学采用增材制造技术开发了歼-31战斗机钛合金主要承重部件的加强框架，与锻造技术相比，该大型复杂整体部件的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[8-9] ，同时，增材制造产品晶粒细小，成分均匀，性能优良，部件性能可逐点控制，没有壁厚位置效应，减少了传统铸造和锻造的宏观冶金缺陷和偏析，同时摆脱了传统冶金工艺对合金成分的限制 [10-13] 。钛合金增材制造技术是目前最具潜力的航空构件制造技术，值得重点关注，因此，介绍了球形钛合金粉末制备技术和增材制造技术的特点，提出了球形钛合金粉末制备技术的发展趋势，并为钛合金增材制造技术在航空领域的发展提供了新的思路。

1 、球形钛合金粉末制备技术

目前，根据钛合金粉末的形貌特征可将现有制备技术分为两种，一是非球形钛粉制备技术，包括氢化脱氢法、热还原法（以TiO₂和TiCl₄为原料）、熔盐电解法等，目前氢化脱氢法成本较低，可制备微细粉末，但氧氮杂质较高，应用较广的还是Kroll法即金属Mg还原TiCl₄制备海绵钛的技术，熔盐电解法虽然研究较多但还处于实验室阶段，该类型制备技术所得钛粉多为不规则形或海绵状；二是球形粉末钛粉制备技术，包括等离子旋转电极法、电极感应气雾化法、射频等离子球化法、等离子旋转电极法等 [14-17] 。

1.1 等离子旋转电极雾化法（PREP）

PREP方法是将钛合金制成电极棒，然后将其放入传动装置中，使其在惰性保护气氛中高速离心旋转，同时通过等离子弧加热熔化，形成的金属液膜在离心力的作用下分散并飞离电极棒断面，最后在表面张力的作用下快速凝固，形成球状钛合金粉末 [18-19] ，其装置的示意图见图1。

（a）工艺原理图；（b）制备的球形钛粉微观形貌。

图1 等离子旋转电极雾化装置示意图

由于电极棒直径小（小于等于 50 mm）和转速低，传统的PREP法制备的钛合金粉末球形度虽高，但粒度相对较粗，仅适用于激光熔覆技术（LMD）90~250 μm的粒度要求，难以满足激光选区熔化技术和电子束选区熔化对粉末粒度的要求。

研究发现，可以通过改变电极棒直径、转速和等离子弧电流来控制粉末粒度，比如超高速旋转电极雾化法（SS-PREP），该方法适用于制备激光选区和电子束选区打印用钛合金粉末，所得粉末球形度高，粒度分布窄，表面干净，杂质少，无空心粉末，流动性好；缺点则是粉末制取难度高、材料利用率低 [20-26] 。

1.2 电极感应气雾化法（EIGA）

电极感应气雾化法（EIGA）是在气体雾化法（GA）技术基础上发展而来，而GA法是以海绵钛或钛合金为原材料，采用高频感应线圈直接将钛合金熔化，借助高速气流冲击钛合金熔融液流，将气体动能转化为液体表面能，进而形成细小的液滴，最后冷凝为钛合金粉末的工艺 [27] 。由于采用感应加热的方式，避免了钛合金被坩埚污染的机会，因此产品纯度较高，且粉末呈球形，其断面呈现极冷凝固组织，粉末晶粒细。发达国家对采用气体雾化法制备钛合金粉末开展了大量的研究工作，发现采用不接触坩埚的电极感应氩气雾化（EIGA）法，一定程度上保证了粉末的纯净度，它是以 ϕ 50 mm或 ϕ 70 mm的棒材为原料，通过锥形感应线圈将钛合金棒材的尖端熔化形成液流，然后在高速氩气气流的作用下雾化成粉，其装置的示意图见图2。

图2 电极感应气雾化装置示意图

1.3 等离子体雾化（PA）

等离子体雾化技术突破性地将金属熔化与氩气雾化合为一体，利用等离子火焰瞬时熔化直径约 3 mm 钛合金丝材，并利用等离子火炬的氩气冲量将熔融钛合金液滴吹散，雾化过程无外来杂质干扰，产品纯度高，采用金属丝材为原料，通过调整金属丝材给进速度获得特定粒度的高纯钛合金粉末，该方法显著提高了钛合金粉末产品品质的稳定性 [28-32] 。

1.4 射频等离子球化技术（PS）

射频等离子球化技术是通过气流将不规则的钛合金氢化脱氢（HDH）粉末通过进料枪喷射到高密度等离子火焰中，再熔化成液体颗粒，然后在球形液滴的表面张力下自发凝固成球形颗粒，通常情况下仍需要进行后续的分选作业和二次球化处理 [33-36] 。等离子球化技术受限于原材料非球形粉末颗粒较少，因此目前生产仅限纯钛、TC4等少量常规钛合金牌号，而且由于多次制粉，存在混入氧氮等杂质元素的问题。

对比以上四种球形钛合金粉末制备技术（见表 1），PREP和EIGA所得钛合金粉末球形度高、粒度细、杂质含量低，因此更适用于航空构件的增材制造工艺。

2、 钛合金粉末的增材制造技术及其在航空构件制造领域的应用

钛合金在航空领域的应用对提高航空发动机动力、减轻航空零部件的质量、增加航空飞行器的航程和安全性提供了有效保证，钛合金的用量也逐渐成为飞机先进性的一个衡量标准。钛合金在现代飞机上的应用范围十分广泛，飞机机身、液压管道、起落架、座舱窗户框架、蒙皮、紧固件、舱门、机翼结构、发动机、风扇叶片、压缩机叶片等部位多采用钛合金。

目前，航空钛合金构件增材制造技术已经成为最具发展潜力的金属材料加工领域之一。适用于航天航空领域的结构件通常具有复杂结构，且需要同时具备轻质和高强两个特点。此外，一些特殊结构，例如航空发动机，还要追求大载荷、高可靠、长寿命，因而要求材料轻质、高强之外，结构要低缺陷、高稳定性。因此，相对于传统的钛合金加工方法，增材制造在钛合金复杂构件成形方面具有明显的技术优势。

2.1 钛合金的增材制造技术

根据能量来源（激光或电子束）和给粉方式的不同，球形钛合金粉末在航空增材制造的应用可分为激光选区熔化（SLM）、电子束选区熔化（EBSM）和激光融化沉积（LMD）

[37-45] 。三种增材制造技术特征及其对钛合金粉末的粒径要求如表2所示，对比三种打印技术发现增材制造技术普遍存在打印精度较差，打印设备成本高，成形效率低，另外航空部件尺寸较大，而增材制造设备生产的部件较小，不能满足航空大部件的生产要求，而且由于航空构件的特殊性，构件复杂程度也超出常规构件等原因，因此增材制造设备高精度、高效率和大型化将是未来的发展方向。

SLM是在激光选区烧结（SLS）的基础上发展起来的，其装置的示意图如图3所示。在计算机辅助设计（CAD）和制造的帮助下，基于离散分层叠加原理，SLM使用高能激光束将金属粉末直接熔化成任意复杂形状的三维金属零件，节省了工装模具，并突破了零件复杂性的限制,是发展最快的金属增材制造技术之一。在激光选区熔化技术方面，钛合金粉末的非金属夹杂、气体夹杂、颗粒尺寸偏差和合金成分偏差等都可能造成增材制造系统粉末床中的不连续扩展，导致工艺失稳、夹杂或孔洞、激光扫描直接或间接造成的气体吸附导致的孔洞、某些元素夹杂导致的疲劳裂纹源。例如粉末的球形度会影响粉末的流动性，进而影响粉末铺设的均匀性，导致印刷区域所有部分的金属熔化不均匀，并直接影响最终零件的密度；粉末氧含量的增加将导致零件的相对密度和拉伸强度显著降低。因此SLM用的球形钛合金要求粉末粒径为15~60 μm，空心粉含量不大于2%，球形度不小于0.9，氧含量低，流动性好，松装密度不应低于1.9 g/cm³，振实密度不应低于2.3 g/cm³，同时，化学成分应符合GB/T 3620.1-2016钛及钛合金牌号和化学成分》的要求。

图3 激光选区熔化装置示意图

激光功率、扫描速度和舱口距离是决定最终SLM 产品性能的三个重要工艺参数。在 950~1 050℃的温度范围内退火后，由于冷却时α马氏体相的存在，样品的强度有所提高。与其他制造方法相比，SLM加工的钛合金硬度值增加了15%~30%，抗拉强度值提高了10%~20%。试样的构建方向对拉伸性能的影响较小。石墨烯/氧化锆的加入使Ti64 SLM 合金的强度和硬度有了显著的提高 [46] 。

在 SLM 过程中通过原位反应生成针状 TiB、晶须TiB和粒状TiC。选择性激光熔化试样的显微硬度随B4 C含量的增加而增加。B4C 为0.05% 时，SLM成形试样的抗压强度、抗压应变、抗拉强度和伸长率分别为2021 MPa、29.98%、1225 MPa和14.17%。试样的抗拉强度、抗压强度和应变均有增加的趋势 [47] 。蔡小叶等研究分析激光选区熔化成形TA15钛合金试样室温动态疲劳性能，疲劳寿命数据具有一定的分散性，产生疲劳分散性的主要原因是选区激光熔化成形过程，金属粉末在高能量激光的作用下快速熔化冷却，在制件内部随机出现搭接不良、气孔、未熔粉末等缺陷所导致 [48] 。

与激光选区熔化相比，电子束的穿透能力更强，可以熔化更厚的粉末层，其装置的示意图如图4所示。在EBSM工艺中，粉末层厚度可超过75μm，甚至达到200 μm，并在保持沉积效率的同时保证良好的层间结合质量，粉末粒径范围为45~105 μm，降低了粉末耗材成本。Wang等采用电子束选择性熔融法制备了近α钛合金TA15 （Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V）试样，研究了其在 773~1 023 K的高温拉伸变形行为，认为 EBSM 制造的 TA15样品在中温条件下具有优异的力学性能 [49] 。

图4 电子束选区熔化装置示意图

Yang等采用电子束选择性熔炼法（EBSM）制备了Ti6.5Al2Zr1Mo1V合金，研究了不同工艺参数下Ti6.5Al2Zr1Mo1V 合金微观组织的差异。结果表明，在其他参数固定的情况下，当光束电流与扫描速度之比在5.0~7.5之间波动时，可以得到表面平整的样品。在不同的扫描参数下，EBSM制备的样品中篮织结构和Widmanstatten结构同时存在，而在低光束电流和高扫描速度下更容易形成马氏体相α′。由于α′/β界面处的应力集中， （α′+α+β）相的混合相比完全层状（α+β）相具有更高的强度和更低的塑性 [50] 。激光金属沉积（LMD）装置的示意图见图5，激光金属沉积（LMD）与激光选区熔化工艺相比，激光熔化沉积最大的差别在于粉末给料的方式，是在金属基体上熔出熔池的同时将金属粉末送入，随着热源的离去金属熔化凝固形成一条熔覆轨迹。因此，一定程度上可以节约粉末材料，也可以用于金属零部件的修复，消除某些复杂、特殊形状或较大体积零件的制造缺陷，修复误加工导致的零件损伤，目前激光熔化沉积技术在航空构件制造领域已经相当成熟。由于小熔池内对流强烈，增材制造（AM）可以实现均匀的浓度分布，是发挥更多合金元素潜能的理想合金化策略，Wang等采用激光定向能沉积技术制备了一种新成分的α+β钛合金，沉积的新α+β钛合金表现出近等轴β晶粒和晶内超细篮状组织，其中 α 条厚度为（0.4±0.1）μm。在随后的退火过程中，通过宏观扩散形成了厚度为（1.4±0.2）μm的初级 α (α p )纤维根形态，这种特殊的形态是塑性提高的主要原因。借助于这种特殊的形貌和细小次生 α (α s )的形核，合金的极限抗拉强度（UTS）和延展性分别达到（1 247±3）MPa和9.2%±0.2%[51] 。

图5 激光金属沉积装置示意图

与传统的锻造和铸造方法相比，LMD 在制造速度和生产具有复杂几何形状的大型部件的能力方面具有优势。航空航天用钛合金构件经常受到循环载荷的影响，疲劳是其最主要的失效模式之一。因此，有必要对 LMD钛合金的疲劳行为进行评估，包括疲劳裂纹的萌生和扩展。Liu等研究了Ti-6Al-2Zr-Mo-V合金在沉积和热处理状态下的疲劳裂纹扩展行为，认为α晶粒的晶粒尺寸、空间取向和晶体取向是控制LDM钛合金疲劳裂纹扩展行为的主要因素 [52] 。

以航空工业中最为典型的TC4钛合金为例，常规锻造钛合金工件与增材制造钛合金构件的性能对比如表3和表4所示，表明增材制造构件在保持高强拉伸屈服性能的同时，冲击韧性和断裂韧性也有一定提升，表明增材制造技术可实现TC4钛合金航空工件的高强高韧。

对比钛合金粉末三种打印技术和TC4钛合金的力学性能参数，粉末质量（氧含量、粒级分布、球形度等）、打印策略的选择（激光或电子束功率、扫描速度、扫描间距、金属粉层厚度、扫描策略等）与构件性能（拉伸强度、疲劳强度、韧性等）存在直接的相关性，三方面综合分析和调整技术参数，可以获得性能更佳的航空增材构件。

2.2 钛合金增材制造技术在航空构件制造领域的应用

目前在钛合金增材制造技术已经成功应用于飞机大型薄壁复杂构件的一体成形和航空发动机精密构件，该技术可以显著降低航空构件的制造周期和生产成本，而且可以使构件兼备高强与高韧的力学性能，裂纹稳定扩展周期长，增材制造部件内部的裂纹容易检出，能够实现可损伤容限设计，并且极大减少航空构件的焊缝数量，使航空构件整体的安全性得到显著提高。目前航空钛合金的应用和研究主要包括高温钛合金、高强钛合金和阻燃钛合金等。虽然钛合金在其使用环境下也获得了不错的效益，但仍有不少项目在工程化应用方面难以解决，如高钛复合材料所具有的“热障”性温度、高强韧钛合金无法同时获得较大的热强性和良好的断裂韧性、钛合金阻燃性机制研究并不清晰等。为打破传统钛合金因技术缺陷所带来的弊端，必须研究增材制造钛合金在不同使用环境下的组织演变规律、失效机制及其对构件性能的影响。

2.2.1 高温钛合金

目前，高温钛合金因其具有优良的高温耐热性和高强度，被广泛应用于航空航天发动机中，航空发动机主要构件如图6所示，世界上先进发达国家研发的高温钛合金较多，比如美国的Ti-1100、英国的IMI834、俄罗斯的 BT18Y和BT36等高温钛合金可在600 ℃以上稳定应用，T55-712及Trent700等航空发动机上也被成功应用。

图6 航空发动机主要构件简图

目前为止 ，由于在600 ℃以上钛合金材料的热强性和热稳定性仍然是一个较难克服的问题，因此目前对于研发温度在600 ℃以上并正常使用的航空发动机用钛合金仍然面临着很大的问题和挑战，严重制约着高温钛合金的发展。较为常见的钛合金高温强化工艺有 ：

（1）添加稀土元素，稀土元素对钛合金基体产生脱氧作用，或弥散出高熔点稀土氧化物；

（2）研发高温抗氧化涂层，避免钛合金长时间暴露在空气中；

（3）SiCf/Ti复合材料和TiAl材料是新一代高推重比航空发动机用的两种关键结构材料 [53] 。美国 ARC公司采用SiC纤维/金属丝编织条带与Ti粉热压复合工艺制作了直径17.8 cm的模拟叶环和F119发动机矢量喷管驱动器传动活塞杆。普惠公司制备了PW4084SiCf/Ti风扇叶片，研发TiAl和TiAl型金属间化合物为基的钛合金，钛与铝制成的钛铝合金，抗氧化能力强，抗蠕变性能好，质量更轻，最高温度可以达到800 ℃以上，同时研究发现Nb元素的添加可以改善钛铝基合金的韧性、塑性和抗高温氧化性，源于 Nb 的添加导致 O 相（Orthorhombic phase）的出现，从而进一步提高了钛合金的使用温度。相比常规的高温镍基合金，钛铝系合金可实现航空构件减重40%的效果 [9] ，但由于钛铝合金室温脆性强，用传统方法制造钛铝合金制件比较困难，而采用增材制造技术可以有效避免成形过程中钛铝合金制件的开裂。

2.2.2 高强钛合金

高强韧钛合金一般指室温下最大抗拉强度在1 000 MPa以上，最大断裂韧度在 55 MPa·m 1/2 以上的钛合金，包括α/β钛合金和β钛合金。TC4、TC17和TC21等都属于α/β钛合金，其中由我国自主研发的 TC21（Ti-6Al-2Mo-1.5Cr-2Zr-2Sn-2Nb）合金已经被用于制造飞机及发动机零部件和结构件；航空领域中使用得最为普遍的5种高强度β钛合金，包括 Ti-10-2-3、Ti-5553、Ti-15-3、β-C、β-21S。其他新研发的主要β钛合金（如β-CEZ、β-Ⅲ、β-LCB）多添加Fe作为β稳定元素，减少了V、Mo、Nb、Ta等β相稳定元素的添加量，其目的是减少材料生产成本。

2.2.3 阻燃钛合金

航空发动机中钛合金零件的热系数较低，燃烧热高，在高速碰撞和热粒子冲击下易产生“钛火”。钛合金的自燃速度快，通常在4~20 s，自燃反应一经发生就很难停止，会带来很大的经济损失。为了将“钛火”这一难点攻克，阻燃钛合金的设计和研制显得尤为重要。目前 Ti-V-Cr和 Ti-Cu两个不同阻燃机制的钛合金相继被研制。我国科研人员在Alloy C、Alloy C ＋ 和Ti40合金的基础上，通过调整Si、C元素的含量而研制成功的一种新型高合金化型Ti-V-Cr系 阻 燃 钛 合 金 WSTi3515S（Ti-35V-15Cr -x Si -y C），2013年锻造试制出首个 WSTi3515S合金半圆形锻件。机械加工困难已成为困扰阻燃钛合金工程化进程的主要难题之一，尤其是铣削加工，超长的加工周期以及昂贵的加工成本大大限制了阻燃钛合金的推广应用领域 [54] 。

3、 结语与展望

（1）相比其他钛合金粉末制备技术，等离子旋转电机雾化法PREP和电极感应气雾化法EIGA所得钛合金粉末粒度细、球形度高、杂质含量低，适用于航空构件的增材制造领域。

（2）钛及钛合金粉末的质量是影响粉末冶金钛合金性能的重要因素之一。钛合金粉末的非金属夹杂、气体夹杂、颗粒尺寸偏差和合金成分偏差等都可能造成增材制造系统粉末床中的不连续扩展，导致工艺失稳、夹杂或孔洞、激光扫描直接或间接造成的气体吸附导致的孔洞、某些元素夹杂导致的疲劳裂纹源。增材制造过程中引入氧（O）和氮（N）

原子会改变钛合金的化学成分，导致晶格畸变，从而阻碍位错滑移和孪晶，最终导致强度提高，但塑性降低。因此，制备低间隙元素含量的钛及钛合金粉末是未来发展热点之一。

（3）针对钛合金难加工特点，钛合金的增材制造技术具有巨大的发展前景，由于航空构件的特殊性，构件复杂程度也超出常规构件等，增材制造技术可以避免常规制造技术过程繁琐，后续加工工序复杂的问题。随着钛合金增材制造在航空领域的普及，增材制造设备高精度、高效率和大型化将是未来的发展方向。

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