ｒ０兀１Ｄｕｔ｜Ｌ计算机自动化与信息化 】ｌ ｄｕｔ０Ｉｎ－ｄｔｉＤｎ ｄｎｄ ｉｒｌ｜０ｌ ｒｎａｔｉｚｉ￣ｔｉＢｉ ｉ 一种用于３ Ｄ打印的钛合金粉末制备技术研究 张艳 （山东凯文科技 ｌ 学院机械１：稗学院，山东济南２５（）２００） 摘要：钛合金粉末３Ｄ打印技术凭借着成本低廉、成型速度快、原料审】备简单、制造的产品性能优良等特点，近年来 已经成为很多领域重点使用和研究的对象 针对这样的发展需求，本文以３Ｄ打印的钛合金粉末制备技术为研究对象进 行深入的探究首先对３Ｄ打印的钛合金粉末制备的方法进行了简要说明和总结，然后对粉末钛合金３Ｄ打印的应用前 景和未来的发展方向做了说明、 关键词：３Ｄ打印；钛合金粉末制备；粉末冶金；粉未－ａ４备方法 中图分类号：Ｔｕ４３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—５０６５（２０１７）０９－００５０—０２ Ａ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｐｏｗｄｅｒ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ３ ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ ＺＨＡＮＧ Ｙａｎ （１）ｃｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｋａｉｗｅｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｄｉｎａｎ ２５（）２００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｐｏｗｄｅｒ ３ ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｃｏｓｔ，ｒａｐｉｄ ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ，ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｇｏｏｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｓｉｍｐｌｅ，ｍａｎｔｌｆ．１ｃｔｎｒｅ ｐｒｏｄｕｃｔｓ，ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｐｏｗｄｅｒ ３ ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ｔｈｅ ｋｅｙ ａｒｅａｓ ｏｆ ｎｌａｎｙ ｕｓｅ ｏｂｊｅｃｔｓ ｏｆ ｓｔｕｄｙ．Ｆｏｒ ｓｕｃｈ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｎｅｅｄｓ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ３ ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｐｏｗｄｅｒ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ ｏｆ ｉｎ—ｄｅｐｔｈ ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｔｈｅ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｐｏｗｄｅｒ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ３ ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ０１１ ｔｈｅ ｂｒｉｅｆ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｕｍｍａｒｙ，ｔｈｅｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｉｔａｎｉｕｍ：ａｌｌｏｙ ｐｏｗｄｅｒ ３ ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：３Ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ；ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｐｏｗｄｅｒ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ；ｐｏｗｄｅｒ ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ；ｐｏｗｄｅｒ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ３Ｄ打印技术是以３Ｄ数字模型为样板基础，运用金属 粉末或其他可粘合材料的粉末，通过三维逐层打印的方式来 组建物体并使其快速制造成型的技术。目前已经成为世界新 兴行业里最为突出的技术，３Ｄ打印技术在航空航天领域、 汽车制造领域等都有着卓越的表现，特别是在高精尖技术领 域和国防制备建设中具有重要的使用价值和发展前景。３Ｄ 打印所使用的金属粉末的相关性能，可以直接影响打印出来 的工件的性能。比如金属粉末的成分组成、夹杂物、物理化 学性能等，最终都会体现在产品的性能和使用寿命上。通过 研究表明，如果使用性能低劣的金属粉末，即使所使用的是 最好的３Ｄ打印技术，最好的工艺设计理念和流程，仍然无 法获得优秀的高质量产品¨ 。 金属粉末作为３Ｄ￣ＴＥＩ］的主要原料，钛及钛合金以其特 有的化学、物理性能，是最适合被制备成粉末的金属材料，但 是同时也是制备难度最大的一种金属材料。目前，能够大量 的生产并用于３Ｄ打印的钛合金粉末的技术主要有：等离子 旋转电极法、感应等离子球化法、等离子丝材雾化法等 ’ 。 并对相关的制备方法进行了总结。 １等离子旋转电极法 等离子旋转电极制备工艺是用纯金属或者是合金制备成 的一种自耗电极，电极的端面受电磁现象进行加热熔融成为 液体，通过对电极施加一个高速旋转的离心力，将融化的金 属液抛出并撞击粉碎成为细小的金属液滴，经过快速冷凝的 工艺甫ｌ＿备成金属粉末的方法。经过这种工艺制备成的金属粉 末。微小的金属颗粒近乎为圆形，并且具有光洁的表面、较 强的流动性，制备的粉末所含有的元素与制备棒元素相当， 无过多杂质。但是由于电极和密闭性的原因无法产生高速的 离心速度，生产出来的钛合金粉末颗粒比较粗大，每一次的 装填都需要进行长时间的间隔，生产效率低，生产成本高昂。 ２感应等离子球化处理 感应等离子球化处理法制备钛合金粉末的工艺已经经 过多年的研究和讨论。已经形成一整套完整的粉末成型系 统，并且成型系统可以根据不同类别粉末进行系统调整。感 应等离子球化处理法是一套物理方法的成型系统，感应等离 子球化处理主要是针对像钛合金这样的难溶金属的制备。感 应等离子球化处理法制备的钛合金粉末细腻并且保留了合 金固有的性能，在制备工艺上比较简单，但是最终制造的产 钛合金粉末经过３Ｄ打印生产出来的产品具有较高的硬 度、较低的热膨胀系数、较强的抗应力性能、还具有良好的 耐腐蚀性等优点，在航空航天领域、天然气能源领域、医疗 器械的制备、海洋舰船制备等领域都已经被广泛使用，并且 已经形成的生产链初具规模。利用３Ｄ打印技术使用钛合金 粉末制备钛合金的零件，不仅可以有效提高钛合金材料的使 用性能，还能解决钛合金难以熔炼及加工的难题，特别是解 决了在熔炼时坩埚和气体元素对钛合金的污染的难点。本文 对３Ｄ打印的钛合金粉末制备技术原理、工艺特点进行讨论， 品由于氧含量高，会出现粘附等问题，并且目前无法有效的 克制根除，所以感应等离子球化处理发一直未在钛及钛合金 粉末制备方面得到大规模的应用。 表１ 感应等离子球化法与常规方法比较 奖塑． 收稿日期：２０１ ７－Ｏ４ 作者简介：张艳，生干ｌ９８１年，女．山东青岛人，硕士研究生，讲师．研 究方向：材料加工工程 靛幕 蓑＿ ｇ ｜ 濑溱鲢 鞣蕊ｌ ０ １９．６ ４．０７ 感应等粒子球化法 其他方法 ｌ§。６左右 “ ∞强 ≯ｌ （下转５２页） ５Ｏ世界有色金属２０１７年５１ｑ上 ［ Ｌ０ｎ１口ＩｌＩｔｅ黜Ｉ｜＿ｄｌ¨ ｔ化Ｌｌｌｌ １ ｌｔ１０ｎ ‰ｉｄ ¨Ｏ．． ¨ ＩＩＬＩＩ… ｄｌ＿ｌｄｔＩＺｄ ’ｔｉｌｉｉ，ｉ ＧＥＰＯＮ主环。每个ＧＥＰＯＮ主环具有在工作环和保护环之 间的自动或手动冗余切换功能。通过在ＧＥＰＯＮ主环的分光 器下挂接光端口扩展器，增加了ＧＥＰＯＮ环网的覆盖范围。 每个ＧＥＰＯＮ子环具备在主、备环之间的自动冗余切换功 能。以太网光纤接口、ＲＳ一４８５接口、ＣＡＮ现场总线接口等 接口，易于接入各类监控设备，并且恨据实际需要可灵活方 便地进行接口数量的扩展，系统整体结构如图３。 （ＰＯＳ）：ＦＪＨＧ一６分光器／光功率分配器用于矿用ＧＥＰＯＮ系 统中光功率分配。其优点是可靠、价格低，缺点是要采取安 全措施，接续设备多，携带不方便。矿用光网络终端（ＯＮＴ）： ＫＪＪ６１Ａ型矿用本安型光网络终端是矿用ＧＥＰＯＮ系统的现 场设备侧设备，提供ＲＳ４８５总线接口、ＣＡＮ总线接口、以 太网电接口、以太网光纤接口，便于矿用数字工业电视系 ２１硬件体系结构 统、矿用ＩＰ调度系统以及其他各监测控制系统的接入，是全 矿井自动化系统重要集成设备。矿用本安型光端口分光器 （ＫＬＨ１８）：ＫＬＨ１８矿用本安型光纤分光器是矿用ＧＥＰＯＮ 系统的配套产品。在矿用ＧＥＰＯＮ系统主环分光器下挂接本 安型光端口扩展器后可扩展出矿用ＧＥＰＯＮ系统子环。 图３ 矿用ＧＥＰＯＮ系统硬件体系架构 ３结语 本文结合淮北矿业集团孙疃煤矿建成的ＧＥＰＯＮ矿井综 合信息自动化平台，矿井实际情况，通过建立地而ＧＥＰＯＮ 环网和井下ＧＥＰＯＮ环网，将井下人员定位系统、瓦斯监测 系统、生产监控系统、排水及供电等系统联系在一起，基本 矿用本安型光端口扩展器：矿用本安型光端口扩展器 能提高矿用ＧＥＰＯＮ主环中所能接入的矿用光网络终端数 量。通过这种扩展方式提高了整个ＧＥＰＯＮ网络在矿井上 下的覆盖率。光线路终端（ＯＬＴ）：光线路终端ＯＬＴ主要功 能是控制与井下ＯＮＴ设备的通讯，同时与上层交换机相 上实现了全矿井的自动化、数字化、信息化、智能化的管理， 将工业以太网技术结合煤矿现场实际，为实现数字化矿Ｌ¨建 设提供了一定的技术支持。四 连，实现井下与地而的双向通讯，是整个系统的核心设备之 设备冗余控制器（ＥＲＰ）：设备冗余控制器可以实现ＯＬＴ 的端口设备冗余功能。它可以实时监测主要设备ＯＬＴ工作 一。奁墨● ■０ Ｉ。ｌｌ ｌｌ１ ｉｌ＿ｌ ０ ｌ［１】 牡敬敬． ｒ继荇， 焉磊 培 、 、＾赶 的煤打ｒ练 Ｅ｛ ：０圮氧境 ．道 ［ Ｉ】．。 矿饥槭，２『Ｉｌ２、３３（３）：５５—５ ７ 【２］ “ｒ义 贾月生．擎雨｝ｌ１ 挂于ＧＥＰＯＮ的矿蚱通信 统 兜［ Ｉ】 恼技术，２００８，３２（５）：１４一ｌ６．４ ［３】 ｌＪ 基于澈犷ＧＥＩ ＯＮ、 ｝尊嫡ｉ喇络簪统的研究 ｊｊ、 Ｉ筻［Ｊ１．箍辞． ２０ｌ４（１ ３）４４—４６ 端口和备用设备ＯＬＴ端口的状态，实现自动或手动的冗余 切换功能。线路冗余控制器（ＲＲＰ）：线路冗余控制器实现 了ＧＥＰＯＮ双光纤网络的链接，主要功能作用是可以同时 实时监测主、备用光纤的通断状态。分光器／光功率分配器 （上接５０页） 方法不太适合。其他方法制造的钛合金产品尺寸精度低、所 需机加工的余量较大，大功率的制造会产生一定的氧化作用 ３等离子丝材雾化法 等离子丝材雾化法是用采用各种合金丝为制备原料，经 过工艺加工制备钛合金粉末的方法，有国外学者对等离子丝 这也是制约３Ｄ技术一个主要原因。ＳＬＭ ３Ｄ打印技术设备 占地面积小、打印能力强，但是对金属粉末粒度的要求高， 材雾化法进行研究发明。但是目前技术和制备工艺不对外出 售和宣传，可通过简单的介绍，我们了解到等离子丝材雾化 法生产的钛合金粉末出粉率高，并且粉末精细，没有杂质， 虽然也存在少量的粘附现象，但是不影响其使用的性能。 表２等离子丝材雾化法优势 能量源 雾化法 激） Ｃ 因此可以得到具有极高的优秀表面的产品，一般适用于结构 比较复杂并且要求一定精度的小型钛合金产品的生产，这种 技术下无法生产大型的钛合金产品，并且生产时间长也是制 约产品性能的关键。 ５结束语 成型功率 １２Ｏ １ ５６（ 工作效率 １２【】（｝釜１６００ 粉末粒度 ４５ ５０ ３Ｄ打印粉末钛合金产品，已经成为当今各制造领域的 其他方法 物理给予 ６３０至８００ ５０至１５０ ３００至９００ 重点研究课题，通过３Ｄ打印生产的产品，具有较高的机械 性能和使用性能，并且可以克服常规手段的一些工艺缺陷， 相信未来３Ｄ打印粉末钛合金技术会成为工业制造领域的风 向标。四 ４钛合金粉末３Ｄ打印进展 随着近年来科技的发展，３Ｄ打印技术和金属粉末制备 技术的不断创新，３Ｄ打印的粉末钛合金产品不仅在航空航 天领域、汽车制造领域得到广泛的应用，还在各种大型组件 的制造上得到很好的发挥。 【】】 ｆ 橡，陈岁元，魏明炜，等．激光３Ｄ打印胃ＴＣ２ｌ钛爵金书廿束 ：ｊ各及其 成形眭研究【Ｊ】．热加：】二： 艺，２０１６（２２）：】一６． 【２】 弼 扬．３Ｄ（ｔｈ ｒｅｏ—ｄ】ｍｅｎ ｓｉｏｎａ＿）Ｐ九ｎｌ１ ＴＩｇ ｔｅｃ１１ｎｏ１ｏｇｙ一，ｈａ ｓｅｄ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｍ ｐｅｒｓｏＩ１ａｊ ｉｚｅｄ ｂｉｏｎｉｃ ＶＣ Ｅ ｔｅｂｒａｌ ｃｏｌ ｔｌｍ１］ 随着３Ｄ打印技术的多样化，不同方法制备出的钛合金 粉末加上不同方法的３Ｄ打印技术，可以得到不同类型的产 品。比如说ＬＭＤ ３Ｄ打印技术利用千瓦级激光器，对金属粉 末有极强的控制力，可以得到结构比较稳定，并且组织比较 精细的钛合金工件，但是所制备的钛合金的产品一般适用于 大尺寸钛合金结构件，对于尺寸较小的钛合金产品用这样的 ｓｔｅｒｎ：，ＣＮ １０３６９０２７８ Ａ｛Ｐ】．２０１４． 【３］张玮航，张虎，李英姿．等．３Ｄ扣印激光陕速成型牙种植体的制函］乏其 ＿机械性能分析［．『］．占林 学学报：医学敝．２０１１，４３（１）：５２—５６． 【４】 罗 娟、余森，于振涛、等．３Ｄ扣印钛 钛合金医疗器械的拢锝袋临索 应『ｆｊ现状ｆＪ】． ￡物骨科材料与临眯研究，２０Ｉ５，ｌ２（６）：７２—７５． ［５】刘宏伟，翁益平，张云坤 等．计锋ｆｎｊ＝ｉ｛ｉ助没计及电予柬熔融快速成 型垒腻３Ｄ打印技术制备个 ｌｉ化脞骨假体［Ｊ］．中国修鹱遵建外科杂 志，２０ｌ ５（９）：１０８８－１（）９Ｉ． ５２世界有色金属２０１７年５月上
