3D 打印用高品质Ti4822 合金铸锭制备技术的分析研究

张保林，刘振华，李 莎

（陕西工业职业技术学院 材料工程学院，陕西咸阳 712000）

0 引言

随着航空领域对高温结构材料性能要求的不断提高，国内外航空设备生产厂商迫切需要能满足要求的轻质耐高温材料，Ti-Al 合金以在600～900℃具有优异的高温力学性能，兼具良好的高温强度、抗氧化、抗燃烧、密度低等优点，成为新一代航空领域最具应用潜力的结构材料。Ti-48Al-2Nb-2Cr（简称Ti4822）合金作为航空航天领域中最具应用潜力的结构材料，目前在其产业化应用方面还缺乏成熟的制备技术。

近年来，金属3D 打印技术日趋成熟，将金属3D 打印技术应用于钛铝合金零件的制备，不仅突破了传统Ti-Al 合金工程化应用低、难加工的技术瓶颈，而且显著提高钛铝合金材料的利用率、节约了制造成本。目前，国外已经采用金属3D 打印技术制备Ti-Al 材质的飞机零部件，并成功应用于飞机上。

因此，3D 打印用高品质Ti4822 合金铸锭制备技术的开发研究分析，具有巨大的市场发展潜力，对发展航空工业有重大意义。

3D 打印用高品质Ti4822 合金铸锭制备技术的分析研究可以采用真空自耗电弧熔炼（VAR）技术，研发用于制备金属3D 打印粉料用的高品质Ti4822 钛合金熔炼技术。主要应做好以下的分析研究工作。

1 高品质Ti4822 钛合金铸锭熔炼工艺研究

由原料和中间合金经熔炼得到合金铸锭是制备金属3D 打印用粉料的前提保证。合金铸锭的成型性与熔炼电流、熔炼电压、自耗电极速率、冷却速率等熔炼参数密切相关。Ti4822 钛合金在高温区存在两个Al 含量范围较窄的包晶反应区，直接影响合金的显微组织、织构及元素分布，合金铸锭的宏观成分偏析与熔炼方法、熔炼参数的控制有关，微观偏析和织构与凝固冷却反应有关。通过优化冷却速率可有效细化铸态合金晶粒，改善织构状态。在一定冷却速率下，高温α 相不经扩散直接转变为γ 相；随冷却速率增大，可获得片层组织、γ相和过冷保留的α2相。但通常Ti4822 钛合金为层片状组织、全层片状组织，具有室温下低延展性，在较高的冷却速率下极易因热应力而开裂形成微裂纹（又称本征脆性）。因此，合理选择熔炼工艺参数对合金铸锭的成型性、组织、性能等均有具有重要意义，主要开展电流、电压、自耗电极速率、冷却速率等参数间的耦合关系对铸锭的成型性影响规律研究，熔炼参数对合金本征脆性的影响规律研究。

2 Ti4822 钛合金中Al 元素的精确调控研究

Al 元素作为Ti4822 钛合金中最主要的两个元素之一，其含量对合金的凝固组织形态及凝固形成的物相类别有很大的影响，对合金的高温强度、室温塑性、抗氧化性能、蠕变抗力、耐腐蚀性能等综合性能产生重要的决定意义。对于Ti4822 钛合金而言，影响Al 元素精确控制的因素主要有两个方面，一方面是Al 元素的密度相比Ti 元素小得多，在真空熔融状态下Al 元素分布不均匀，易于形成宏观偏析；另一方面由于合金熔炼采用真空自耗熔炼技术，Al 元素饱和蒸汽压低、熔点低，在真空状态下易挥发、易烧损，导致难于精确控制Al 元素含量，且作为轻元素对其进行准确的定量分析也非常困难。因此，可以采取以下两种方式来精确调控Ti4822 钛合金中Al 元素。

（1）采用直流、交流两种稳弧电流类型，通过调整不同类型稳弧电流大小，调整熔池深度、熔液驻留时间等参数，降低Al 元素的宏观偏析。

（2）针对Al 元素熔点低、饱和蒸汽压低、熔融状态挥发大的问题，进行真空自耗电弧炉改造。在保证高真空的前提下，改造为氩气可控气氛炉，研究不同氩气压力条件下Al 元素的挥发规律；同时，对冷却水的温度进行控制，具备冷却水从4～40℃水温可调，实现在不同冷却速度下进行真空或充氩功能，研究冷却场对熔融状态下Al 元素挥发的影响，探索一种适合Ti-Al 合金熔炼时Al 元素精确控制的方法。

3 铸锭高纯净度、稳定性控制技术的研究

高纯净合金铸锭是制备合格金属3D 打印用粉料的前提保障。Ti4822 钛合金与其他金属间化合物一样，其性能除了取决于显微组织、成分，还敏感地依赖于凝固和热加工造成的缺陷。在合金中添加Cr、Nb 等元素，可细化晶粒，提高合金塑性，改善高温性能，如强度、抗氧化能力和蠕变抗力。合金铸锭中的C、N、H、O 等杂质元素和气体夹杂会引起冶金缺陷、微裂纹等，降低合金的使用性能。因此，应该严格控制气体、夹杂物及有害元素的含量。

4 结语

通过以上这些3D 打印用高品质Ti4822 合金铸锭制备技术方面的分析研究工作，确保制备的Ti4822 钛合金铸锭达到以下技术指标：Al 元素成分均匀，且满足以下技术条件要求（极限偏差控制在≤10%以内），杂质元素C 含量≤0.008%（wt%）、N 含量≤0.05%（wt%）、O 含量≤0.08%（wt%）、H 含量≤0.01%（wt%）范围内，为其在金属3D 打印产业化应用方面提供技术储备，为工业化生产积累相关数据和应用经验。而且，Ti4822 钛合金铸锭的均匀化和高纯度研究，对其他钛合金材料同样具有借鉴意义。