全产业链发展模式,坚持走工程化应用路线 ——赛隆Ti48Al2Cr2Nb发展历程

3D打印科研前沿
2021
02/22
10:51
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导读:钛铝合金具有耐高温、抗氧化和密度低的特点,且其弹性模量、抗蠕变性能与镍基高温合金相当,密度还不到镍基合金的一半,其使用温度可望达到900℃ 以上,是600~900℃替代传统的超合金,实现减重的理想材料,被认为是最有发展前景的高温结构材料之一,在航空航天和汽车工业等领域具有广阔的应用前景。

应用背景
目前国外在电子束选区熔化成形复杂钛铝合金构件方面开展了大量的研究,早在2005年,美国北卡州立大学就公开报道了电子束选区熔化钛铝合金的组织结构,随后美国德克萨斯州立大学、瑞典Arcam公司和意大利Avio公司也相继开展了电子束选区熔化成形钛铝合金的研究,特别是意大利Avio公司在电子束选区熔化成形复杂钛铝构件的工程化应用研究方面处于世界领先水平,目前该公司已经成功开发出多种钛铝复杂构件电子束选区熔化成形技术。

据报道,意大利Avio公司电子束选区熔化钛铝合金叶片已经进入批量生产阶段,目标年产6万片叶片。 2012年,美国通用电气公司斥资43亿美元收购了意大利Avio公司的航空业务,主要瞄准电子束3D打印钛铝叶片;2016年斥资7.6亿美元全资收购了电子束3D打印技术与装备的国际龙头企业—瑞典Arcam公司,包括旗下的全球3D打印粉末原料主要生产商:加拿大AP&C公司,掌控了SEBM打印原料、工艺装备和工程应用全链条的核心技术。
赛隆Ti48Al2Cr2Nb发展历程与规划
1、多次尝试与改进,坚持开发稳定可控原材料
在原料棒材熔炼方面,考虑到电子束3D打印成形过程中粉末中Al元素易烧损,稳定强化元素Nb的含量不易准确控制以及杂质元素不易精准控制,赛隆金属技术团队利用西北有色金属研究院在钛合金熔炼技术方面的优势,经过不断成分设计优化,多次重熔与反复检测,保证了原材料棒材主元素成分的精确控制和低杂质含量,也成功实现从熔炼锭到合金棒材的大批量稳定生产。

表1某批次原材料棒材成分

化学成分(Wt.%)
元素
Al
Cr
Nb
C
H
O
N
余量
实测
35.42
2.28
4.80
0.019
0.0021
0.034
<0.003
Ti

在制粉过程中,赛隆金属采取了两种工艺技术路线:真空电极感应雾化(EIGA)技术和等离子旋转电极(PREP)技术。
路线一:EIGA工艺(使用设备:ALD公司的EIGA 50设备)

Jietu20210222-102721.jpg
△图1 电极感应雾化基本原理示意图

表2 赛隆采用EIGA技术制备的Ti48Al2Cr2Nb粉末成分
化学成分(Wt.%
元素
Al
Cr
Nb
C
H
O
N
余量
实测
33.435.6
2.452.60
4.55.0
0.007
0.003
0.068
0.003
Ti
Jietu20210222-102730.jpg
△图2 赛隆采用EIGA技术制备Ti48Al2Cr2Nb粉末形貌

表3 Ti48Al2Cr2Nb粉末基本物理性能
化学成分(Wt.%
元素
Al
Cr
Nb
C
H
O
N
余量
实测
33.435.6
2.452.60
4.55.0
0.007
0.003
0.068
0.003
Ti

路线二:PREP工艺(使用设备:赛隆自主开发的PREP  SLPA-H设备)
Jietu20210222-102734.jpg
图3等离子旋转电极雾化基本原理示意图

表4 赛隆采用PREP技术制备Ti48Al2Cr2Nb粉末成分
化学成分(Wt.%
元素
Al
Cr
Nb
C
H
O
N
余量
实测
33.535.0
2.302.48
4.615.1
≤0.011
0.001
0.060
0.003
Ti

Jietu20210222-102739.jpg
△图4 赛隆采用PREP技术制备Ti48Al2Cr2Nb粉末形貌

表5 Ti48Al2Cr2Nb粉末基本物理性能
流动性
松装密度
振实密度
≤29s/50g
≥2.38g/cm3
≥2.49g/cm3


赛隆金属已经分别采用上述两种工艺实现了Ti48Al2Cr2Nb粉末的大批量生产和供应,粉末已经被多家企业、高校、研究所、航天航空单位批量使用并验证。粉末氧含量控制方面,采用EIGA技术制备的Ti48Al2Cr2Nb粉末氧含量有待进一步降低,目前部分批次氧含量已经可以控制到650ppm以下,而采用PREP技术制备的Ti48Al2Cr2Nb粉末氧含量已经可以稳定控制在600ppm左右。另外利用同步辐射光源对两种技术制备的粉末空心粉率进行了研究统计,目前EIGA技术制备的Ti48Al2Cr2Nb粉末空心粉率约是PREP技术制备的Ti48Al2Cr2Nb粉末空心率的3~4倍。

2、国产装备与工艺,坚定不移走自主开发路线
在保证合格的原料粉末的前提下,另外一个需要解决的“卡脖子”关键问题是成形装备和成形工艺,目前国内外市场上从事粉床电子束3D打印设备开发的厂家主要有瑞典的GE Additive Arcam 和Freemelt、日本的Tada Electric、中国的西安赛隆和天津清研智束等公司,但国外装备对自身核心技术完全封锁,面向用户不开源,同时限定及绑定了诸多条款,用户只能实现简单的制造,很难走向自主创新创造。
目前赛隆金属电子束3D打印成形Ti48Al2Cr2Nb的装备拥有完全自主知识产权,其中最核心的电子枪系统,装备控制软件及模型剖分、路径规划软件,开源可调可控的材料成形工艺等均为自主设计开发。
Jietu20210222-102751.jpg
△图5赛隆金属粉床电子束3D打印装备

以自主开发的粉末原料和装备为基础,赛隆金属经过3年多不断摸索和尝试,从稳固粉床到成形精度控制,到内部冶金质量控制及打印路径和支撑优化等问题,再到最终的叶片等零部件成形及热处理和后续表面精整工作,经历了重重考验,最终成功开发出Ti48Al2Cr2Nb稳定打印工艺包。
Jietu20210222-102754.jpg Jietu20210222-102812.jpg Jietu20210222-102803.jpg
△图6 赛隆电子束3D打印Ti48Al2Cr2Nb试验件实物
Jietu20210222-102815.jpg
△图7 热等静压态微观组织

以热等静压后处理过程为例,通过优化热等静压工艺,使Ti48Al2Cr2Nb试件的组织更一步均匀化和致密化,如图7所示。

表6 赛隆采用EIGA技术Ti48Al2Cr2Nb粉末打印的力学性能数据
温度
屈服强度(Mpa
抗拉强度(Mpa
延伸率(%)
室温
360
420
1.0
650℃
320
380
1.2
表7 赛隆采用PREP技术Ti48Al2Cr2Nb粉末打印的力学性能数据
温度
屈服强度(Mpa
抗拉强度(Mpa
延伸率(%)
室温
400
455
1.2
650℃
350
410
1.4


截止目前,公司自身不断优化工艺已经累计消耗超过1.5吨粉末,并且超过500炉次打印,目前每炉次试验棒稳定性极高,不同摆放方式,摆放位置,不同炉次之间力学性能误差≤5%。

3、开放、融合、合作,坚定产业化决心不变

2020年,在国家重大项目的支持下,由西北有色金属研究院粉末冶金研究所牵头,赛隆金属配合实施产业化战略,制定了基于公司层面的十四五规划,其中一条重要方向是坚定将钛铝类金属间化合物的3D打印由研发转向中试并走向产业化。公司计划规划电子束3D打印生产线40余条,目前15条已经调试运行完毕。除稳定库存≥5吨检验合格的Ti48Al2Cr2Nb棒材以快速响应制粉之外,赛隆金属常备库存还有Ti22Al25Nb、Ti45Al8Nb等牌号粉末,也可以为用户提供定制牌号钛铝金属间化合物粉末并进行电子束3D打印工艺验证。

以下为赛隆金属利用自主开发的PREP技术粉末+EBM技术打印的部分零件实物图:
             Jietu20210222-102825.jpg
高压涡轮叶片

Jietu20210222-102834.jpg
低压涡轮叶片
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喷管
4、征途漫漫,道阻且长,任重道远
2020年9月28日,GE航空宣布GE9X发动机已经获得美国联邦航空管理局(FAA)的认证,这是GE9X发动机为777X系列飞机提供动力的关键里程碑。目前该发动机具有300多个增材制造零件,其中钛铝低压涡轮叶片属于其中之一。截至目前,国内对于电子束选区熔化成形过程中组织的形成机理及同步控制技术还缺少系统的研究,成形钛铝合金力学性能距离锻件水平还存在较大差距,针对电子束选区熔化成形钛铝合金零件,尤其是航空发动机低压涡轮叶片的工程化应用研究基本没有。从基础成分、成形工艺、后续处理研究到最终的装机验证、批量化工程应用,赛隆金属诚挚希望联合国内高校、研究所、航空航天等应用单位共同努力,开发合作,共同推进该产业以及技术的进步。

欢迎对钛铝合金系列(Ti48Al2Cr2Nb、Ti22Al25Nb、Ti45Al8Nb)感兴趣朋友前来交流(球形钛铝粉末、电子束3D打印工艺研究、样件装机考核验证、等离子旋转电极制粉与电子束3D打印装备……)

备注:所有数据及图片版权属于赛隆金属所有,侵权必究,如需转载,请联系:赛隆金属(029-86232183)


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