TB6钛合金作为β型钛合金
，拥有高比强度、比刚度和优良的耐蚀性
，满足了飞机高机动性、高靠得住性和长命命的设计要求
，其利用水平已成为衡量飞机选材先进水平的一个沉要标志[1]
。目前国内重要选取铸造、铸造结合机械加工的步骤出产钛合金零件
，然而
，钛合金拥有铸造温度领域窄、抗变形能力强、对出产环境敏感的微观结构个性等工艺特点
，使用传统工艺出产加工钛合金零件时存在出产工艺复杂
，资料利用率低
，加工成本高档弊端
，除此之表
，传统的冶金步骤易产生宏观冶金缺点和偏析等问题
，必要经过热处置进行解除[2-6]
。

增材造作技术选取离散-堆积的思路
，以三维数字模型为基础
，通过激光或电子束沿特定轨迹扫描加工
，将资料逐层堆积造作出实体的新兴造作技术
，与传统机械造作工艺相比
，增材造作技术拥有资料利用率高、设计自由度高、复杂结构一体化成形、交付周期短、加工成本低蹬着点
，宽泛利用于航空航天领域[7]
。2013年
，美国Sciaky公司选取电子束熔丝沉积技术与锻件结合的组合造作技术为F-35飞机造作出了垂尾、襟翼副梁等零件
，成本降低30%以上[8]
，同年
，北京航空航天大学选取增材造作技术造作出了歼-31飞机主承沉件加强框架
，与铸造技术相比
，钛合金资料利用率提高了5倍
，造作周期缩短了2/3
，成本降低了1/2
，同时
，产品晶粒藐幼、成吩旖均3];此表
，在民机领域
，增材造作技术也得以利用
，GE公司通过增材造作技术造作的发起机电动开门系统(PDOS)支架
，与传统造作步骤相比
，资料利用率提高90%
，零件减沉10%
，该零件于2018年通过美国联国航空治理局(Federal Aviation Administration
，FAA)适航认证;2022年
，汉莎航空技术公司通过钛合金激光选区溶解增材造作技术造作的“A-Link”零件,获得欧洲航空安全局(European Union Aviation Safety Agency
，EASA)适航认证;中国商飞公司结合国内科研机构实现了钛合金激光选区溶解增材造作零件在C919飞机上的装机利用
，并获得中国民航局(Civil Aviation Administration of China
，CAAC)适航认证[8]
。近年来
，国内高校和科研机构在增材造作成形设备、造作工艺等方面的钻研和工程化利用获得了突破性成就
，但与国表相比
，原资料的基础钻延注造备工艺和产业化等方面仍存在较大差距
，

就粉末原资料而言
，国内钻研起步较晚
，造粉企业规模和产品质量都与国表先进水平有肯定差距
，在航空航天领域
，甚至很多高品质钛合金粉末还重要依赖进口
，国内自产粉末还存在粒径较大、氧含量较多
，质量不不变等问题[7]
。

目前
，钛合金粉末造备技术重要有电极感应熔炼气雾化法(electrode induction melting gas atomization
，EIGA)、等离子雾化法(plasma atomization
，PA)、等离子旋转电极雾化法(plasma rotating electrode process,PREP)等
，造粉技术各有优弊端
，好比EIGA法造备的粉末成分元素烧损极少
，细粉收得率高
，但氧增量难以节造
，存在空心粉、卫星粉等缺点;而PREP法造备的粉末拥有球形度高、空心粉和卫星粉少、粒径散布集钟注粉末尺寸可控等诸多利益[9-12]
，但合金棒料直径幼(幼于50mm)和低转速时
，PREP法造备的粉末粒径较粗
，难以满足于激光选区溶解成型技术和电子束选区溶解成型技术对粉末粒径的要求[3]
，陶宇等[13]钻研者发现
，可通过扭转合金棒料直径、转速和等离子弧电流来节造粉末粒径
，如选取超高速旋转电极雾化法能够造备出球形度高、粒度散布集钟注杂质少、无空心粉
，并且流动性好迪胙合金粉末
，可满足激光选区溶解成形技术和电子束选区溶解成形技术对粉末的要求[14]
。

本尝试钻研了选取PREP技术造备的TB6钛合金粉末的物理个性
，选取ImageJ软件
，对粉末粒径进行统计
，结合电镜扫描(scanning electron microscope
，SEM)、电感耦合等离子体原子发射光谱法(Electron-coupled plasma atomic emission spectrometry
，ICP-AES)等技术分析
，钻研电极转速对TB6钛合金粉末尺寸、描摹的影响
，并分析了粉末粒径对O、N含量的影响等
。

1、尝试资料和步骤

试验选用规格为?65mm×600mm的TB6钛合金棒料作为原资料
，其化学成分如表1
。PREP造粉设备重要由雾化室、等离子枪装置、旋转进给机构和粉末网络装置组成
，具体组成详见图1
。

PREP法是通过动力机构带头金属棒料高速旋转
，等离子枪产生的高温等离子弧作用于高速旋转的棒料端面
，使棒料端面产生微区溶解
，金属溶解层在高速离心力的作用下雾化成球形粉末
，雾化全过程在惰性空气的；は陆衃15-18]
。粉末造备前
，在TB6棒材一段开定位卡槽
，并对棒材表表进行打磨洗濯
，以去除棒材表表的油污及氧化物
，雾化室抽成真空后
，通入高纯氩气(纯度99.99%)
，对电极系统施加强电流
，使TB6钛合金棒在电弧产生的高温下产生溶解
，利用钛棒自身高速旋转产生的离心力将溶解的合金液滴抛出并瞬间凝固
，形成TB6钛合金粉末
，通过节造棒材转速调节合金粉末的粒径
。本文拔取的转速别离为20000r/min及28000r/min
。使用JEOL-7500扫描电镜对粉末进行观察
，使用ImageJ软件统计合金扫描电镜照片中粉末直径
，获得TB6粉末的粒径散布
，使用电感耦合等离子体原子发射光谱法分析分歧粒径的合金粉末的氧和氮含量
。

表1 TB6钛合金化学成分(质量分数)

Table 1 Chemical compositions of TB6 titanium alloy

%

2、了局与会商

2.1 TB6钛合金粉末的粒径散布

图2和图3所示为20000r/min及28000r/min两种转速下获得TB6钛合金粉末的现实粒径散布直方图
，PREP法造备的TB6钛合金粉末的粒径根基切合正态散布
，TB6钛合金电极棒转速为20000r/min时
，95%以上的粉末粒径在70~170μm之间;电极转速为28000r/min时
，95%以上的粉末粒径在40~160μm之间;电极转速越快
，合金粉末的粒径散布区间越大
，并且幼尺寸粉末所占的比例也越高
。通过PREP法造备的TB6钛合金粉末流动性极度合适3D打印及激光建复等要求
，可使用分歧目数的振动筛对TB6钛合金粉末的粒径及粒径散布区间进前进一步的筛选优化
，以便满足特定需要[7]
。

2.2粉末粒径对O、N含量的影响

由于所有TB6合金粉末均来自于统一根成吩旖均的TB6棒材
，针对分歧转速的粉末
，金属自身的合金元素如Ti、V、Fe及Al的含量不进行比力
，仅比力对TB6钛合金粉末机能影响较大的O与N元素的差距
。高的O、N含量将直接降低钛合金的力学机能
。除此之表
，钛合金粉末中的O、N元素会影响粉末的可压缩性及熔融烧结机能
，O元素还会降低成型后钛合金构件的断裂延长率
，恶化塑韧性
，因而TB6合金粉末中O、N元素的含量越少越好[19]
。固然粉末造备是在高纯氩气中进行
，但O、N元素依然难以预防
，本尝试选取99.99%的高纯氩气作为；て
，电极转速为28000r/min时获得分歧粒径的TB6粉末中O、N元素的含量变动见表2
。

蹬仔害杂质
，这对粉末的压缩和烧结机能不利
，因而粉末封装要在氩气；は陆;而大粒径的TB6合金粉末往往含有更少的O、N元素
，这对成型后的金属基体是有利的
，3D打印及激光建复用的TB6钛合金粉末应尽量削减表界露出功夫并密封保留
。此表
，固然氮气在室温下不容易与钛合金粉末反映
，但测试了局批注微米级的TB6钛合金粉末依然会吸附N元素
。

2.3粉末微观描摹和相组成

表2 分歧粒径的TB6钛合金粉末中O、N元素的质量分数

Table 2 Mass fractions of O and N elements in TB6 titanium alloy powders with different particle sizes%

从表2能够看出
，整个粒度领域内N含量很低
，当粉末颗粒靠近100μm时
，粉末中的N质量分数不高于0.0055%
。随着粒径的降低
，粉末中O、N元素的含量均显著增长
，这重要由于粉末粒径较幼
，有较大的比表表积
，反映活性也更大
，在粉末造备及后续处置过程(蕴含转移、封装、测试等)中与表界接触时会吸附更多的氧气、氮气及水蒸气
。

图4为电极转速28000r/min时造备的分歧粒径TB6钛合金粉末微观描摹
。由图4能够看出
，PREP法造备的TB6钛合金粉末球形度极好
，粉末颗粒呈规定球形
。幼粒径颗粒表表光亮圆滑
，根基不存在卫星粉景象
，适合于热等静压等成形工艺的要求
。粉末粒径分歧时
，表表描摹也会存在肯定差距
，粒径较大的粉末颗粒表表出现胞状枝晶组织
，粉末表表存在很浅的凹凸不平
，有少量微幼缩孔;随着粉末粒径越幼
，金属微球的表表越光滑
，胞状枝晶组织逐步削减
，注明粉末越幼结晶景象就越不显著
。以上景象重要由钛合金粉末分歧的冷却速度造成
，PREP造备的粉末是熔融金属液滴在高速活动中急速冷却形成的非平衡组织
，其冷却速度凭据表表积的分歧能够达到10?~10?K/s
，球体比表表积与球体直径成反比
，因而粉末的粒径越幼
，其比表表积越大
，冷却速度就越快
，幼尺寸熔融金属液滴凝固过程中的更易被“冻结”
，结晶过程受到抑造
，因而表表越发光滑;而大粒径粉末
，凝固过程中冷却速度较慢
，粉末内部形成更多晶粒
，且分歧晶粒间收缩速度分歧
，在粉末表表形成了显著的结晶组织
，表表越发粗糙[20]
。幼尺寸的光滑粉末更有利于3D打印件的机能提升
，但是幼粉末流动性不好又不利于打印成形
，因而钛合金粉末的好多个性是相互矛盾的
，应凭据现实需要拔取最合适的粉末粒径[21]
。

对28000r/min转速前提下分歧粒径的TB6钛合金粉末进行物相分析
，发现粉末相组成重要为β-Ti(2θ≈38°左近)
，同时发现含有少量α-Fe(2θ≈40°左近)
。这是由于PREP法造备粉末为极速冷却过程
，较细粉末冷却速度快
，维持了高温时的β相
，大粒径粉末相对冷却速度较慢
，导致少量Fe析出
，出现“β斑”景象
。

3、结论

(1)PREP法造备的TB6钛合金粉末球形度好
，粒径散布集中
，卫星粉极少
，极度合用于选区激光熔消融成形及电子束选区溶解成形等增材造作技术
。

(2)电极转速20000r/min时粉末粒径散布区间为70~170μm
，转速为28000r/min时粉末粒径散布区间为40~160μm
。粉末粒径随转速增长而显著减幼
，高电极转速下幼粒径粉末的数量显著增长
。

(3)较大粒径的粉末表表出现胞状枝晶组织
，粉末表表存在很浅的凹凸不平
，有少量微幼缩孔;随着粉末粒径减幼
，粉末表表越光滑
，胞状枝晶组织逐步削减
，幼粒径粉末由于比表表积大
，散热越发迅速
，粉末内结晶过程受到抑造
，因而表表越发光滑
，但粉末中O、N等杂质元素的含量随着合金粉末尺寸的减幼而略有增长
。

(4)对28000r/min转速前提下分歧粒径的TB6钛合金粉末进行物相分析
，发现粉末相组成重要为β-Ti相
，同时发现含有少量α-Fe相
。

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（注
，原文标题：等离子旋转电极雾化法造备TB6钛合金粉末_刘志辉）