鈦合金具有比強(qiáng)度高，耐蝕性好，高溫力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，可滿足航空航天高機(jī)動(dòng)性、高可靠和長壽命零部件設(shè)計(jì)的需要，其應(yīng)用水平已經(jīng)成為衡量航空及航天器選材先進(jìn)程度的重要標(biāo)志，同時(shí)鈦合金具有良好的生物相容性，彈性模量與人體骨骼接近，在醫(yī)療領(lǐng)域也是一種重要應(yīng)用材料。雖然鈦具有諸多優(yōu)良特性，但其加工一直是一項(xiàng)難題，鈦的低熱傳導(dǎo)率、加工硬化、低彈性模量等因素造成傳統(tǒng)機(jī)加工手段制造鈦合金構(gòu)件難度較大，材料利用率低，周期長，成本高，而等靜壓、注射成形、放電等離子燒結(jié)等方法又難以克服氧含量和孔隙率高等瓶頸問題。

　　增材制造作為近凈成形技術(shù)的一個(gè)新方向，大大減少了工序并縮短了制造周期，非常適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)和定制化零件制造，而且材料利用率高，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)與鈦的應(yīng)用領(lǐng)域需求具有天然契合點(diǎn)，同時(shí)增材制造能夠規(guī)避鈦的加工難題，鈦的不利于傳統(tǒng)機(jī)加工的諸如低熱傳導(dǎo)率特性反而有利于粉末激光成型，因此自金屬增材制造技術(shù)興起之后，鈦合金被率先投入使用并迅速鋪開，由此也帶動(dòng)了粉末材料的需求。當(dāng)前全球增材制造用鈦粉年用量在1000噸以上，在整個(gè)增材制造金屬材料中仍然占據(jù)主要市場(chǎng)。

2014-2027年鈦合金3D打印粉末總消耗量預(yù)測(cè)（來源：SmarTech）

　　增材制造用鈦合金粉末制備

　　粉末材料作為金屬增材制造的最主要基礎(chǔ)原材料，是增材制造產(chǎn)業(yè)鏈中的重要組成部分。金屬粉末特性對(duì)增材制造工藝穩(wěn)定性、成形精密性和產(chǎn)品組織性能有關(guān)鍵影響。鈦合金增材制造以鈦合金粉末為原料，粉末粒度分布、純凈度、空心粉含量、流動(dòng)性、松裝密度等對(duì)成形件性能起著至關(guān)重要的作用。

　　不同增材制造工藝所適用粉末特性有所差異，但基本要求都是成分純凈、粒徑分布窄，流動(dòng)性好。基于上述要求，應(yīng)用于增材制造的金屬粉末多為球形粉末，制備工藝也以球形粉末制備技術(shù)為主。金屬增材制造中常用鋁基、鐵基、銅基等材料大多采用坩堝熔煉氣體霧化制備，但由于鈦具有極強(qiáng)的化學(xué)活性，在高溫狀態(tài)下和絕大多數(shù)的單質(zhì)和化合物發(fā)生反應(yīng)，因此為保證鈦合金粉末的純凈度和低含氧量不宜使用傳統(tǒng)坩堝方式熔煉。當(dāng)前球形鈦粉制備技術(shù)集中于電極感應(yīng)熔煉氣體霧化（EIGA）、等離子旋轉(zhuǎn)電極（PREP）、等離子火炬霧化（PA）和射頻等離子球化（PS），幾種方法均為無坩堝形式。

　　國內(nèi)外主要增材制造鈦粉供應(yīng)商多以上述幾種制備技術(shù)為基礎(chǔ)，而且不同制備技術(shù)分別形成了代表性的設(shè)備和材料供應(yīng)商，如德國ALD公司代表了EIGA設(shè)備的最先進(jìn)水平，以PA技術(shù)為基礎(chǔ)的AP&C幾乎是高品質(zhì)球形鈦粉的代名詞。幾種鈦粉制備方法在粉末特性、設(shè)備成本和生產(chǎn)效率方面各有優(yōu)劣，但不可回避的一個(gè)問題就是細(xì)粒徑粉末的制備成本。近幾年鋪粉用鈦合金粉末市場(chǎng)價(jià)格已經(jīng)大幅降低，但單價(jià)仍然明顯高于其他增材制造粉末，一方面是由于鈦本身材料價(jià)格高，作為高活性材料處理成本也高，另一方面和當(dāng)前鈦粉制備技術(shù)的細(xì)粉收得率和生產(chǎn)效率直接相關(guān)。雖然當(dāng)前粉末成本并不是金屬增材制造的最主要成本，鈦的主要應(yīng)用領(lǐng)域?qū)r(jià)格也并不過分敏感，但在粉末需求不斷增長的大背景下，降低成本是必然要求，因此開展鈦粉制備技術(shù)開發(fā)和工藝優(yōu)化具有重要意義。對(duì)球形鈦粉制備而言，提高細(xì)粉收得率和相對(duì)連續(xù)工藝生產(chǎn)都是制備關(guān)鍵技術(shù)。

　　據(jù)3D打印技術(shù)參考了解，有研科技集團(tuán)下屬北京康普錫威科技有限公司（有研增材技術(shù)有限公司）為解決鈦及鈦合金粉末制備存在的熔煉與霧化技術(shù)問題，將高頻感應(yīng)熔煉技術(shù)與氣霧化技術(shù)相結(jié)合，并采用緊耦合結(jié)構(gòu)的霧化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制備微細(xì)球形鈦及鈦合金粉末，提高了細(xì)粉收得率，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)密閉條件下的連續(xù)生產(chǎn)，進(jìn)一步降低了鈦合金粉末的生產(chǎn)成本。相關(guān)成果曾獲中國有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)。

　　增材制造用鈦合金種類及應(yīng)用

　　鈦合金存在α和β兩種同素異形體，一般在882℃發(fā)生α?β的轉(zhuǎn)變。通常來說，根據(jù)鈦合金中α相和β相的含量組成可將鈦合金分成α鈦合金、β鈦合金、α+β鈦合金三類，我國分別以TA、TB、TC表示。α鈦合金是由α相單項(xiàng)固溶體組成，組織形態(tài)比較穩(wěn)定，始終以α相形式存在，因此具有良好的高溫穩(wěn)定性和可焊性，但是其室溫強(qiáng)度和塑性較差。β鈦合金晶體結(jié)構(gòu)為體心立方（BCC），其變形能力優(yōu)于密排六方（HCP）結(jié)構(gòu)的α鈦合金，具有較好的塑性和室溫強(qiáng)度。α+β鈦合金可以通過調(diào)整合金元素成分調(diào)控α和β的相對(duì)含量從而達(dá)到提升合金成形性和力學(xué)性能，但這都是以犧牲其焊接性能和抗蠕變性能為代價(jià)。

　　在增材制造領(lǐng)域中，目前α+β鈦合金應(yīng)用最多的是TC4，具有良好的耐蝕性、焊接性，可通過熱處理調(diào)整組織及性能，在航空航天和醫(yī)療領(lǐng)域廣泛使用，可在350℃以下長期使用；隨著增材制造應(yīng)用的不斷拓展和輕量化要求的不斷提高，越來越多航空航天零部件希望擁有更高的高溫強(qiáng)度和穩(wěn)定性部分替代密度較大的高溫合金和不銹鋼，同時(shí)又兼具良好可焊性的需求，α鈦合金無疑是一個(gè)很好的選擇，目前應(yīng)用較為成熟的是TA15合金。TA15合金長時(shí)間（3000h)工作溫度可達(dá)500℃，瞬時(shí)（不超過5min)可達(dá)800℃。450℃下工作時(shí)，壽命可達(dá)6000h。

　　常用增材制造用鈦合金粉末產(chǎn)品

表1增材制造用鈦合金粉末化學(xué)成分表圖片

表2增材制造用鈦合金粉末特性（來源：康普錫威）

　　產(chǎn)品樣例（TA15）

　　■應(yīng)用場(chǎng)景

　　TA15合金是一種高Al當(dāng)量的近α型鈦合金，具有良好的高溫強(qiáng)度、穩(wěn)定性、耐熱性、耐腐蝕性及焊接性能等一系列優(yōu)良的綜合性能，用于制造飛機(jī)的風(fēng)扇，壓氣機(jī)盤及葉片等工作溫度較高，受力較復(fù)雜的重要結(jié)構(gòu)件，是一種重要的飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)用鈦合金材料。

　　■力學(xué)性能：

　　表3退火態(tài)3D打印TA15力學(xué)性能（來源：康普錫威）

　　鈦合金在金屬3D打印材料市場(chǎng)中一直處于領(lǐng)先地位，根據(jù)《Market Analysis Report》，其在2019年占全球收入的65.3％，這不僅取決于用量，也取決于價(jià)格。航空航天業(yè)采用3D打印制造鈦合金原型成為促進(jìn)增長的主要因素，而它在重量、強(qiáng)度和腐蝕性方面滿足行業(yè)要求的能力使其能夠保持可持續(xù)性的增長。

　　得益于應(yīng)用市場(chǎng)的發(fā)力，鈦合金粉末的價(jià)格在近年來快速下降，無論國產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格基本在1300-1800元/公斤，并還有進(jìn)一步下降的趨勢(shì)和空間。得益于此，鈦合金3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸超出航空航天的應(yīng)用范圍，開始向汽車及大工業(yè)領(lǐng)域拓展， 國產(chǎn)鈦合金3D打印粉末市場(chǎng)正在蓬勃發(fā)展。