《Mater Des》：Ti-13Nb-13Zr合金粉末性能及其增材制造工艺

来源：材料科学与工程


新一代钛合金与常规使用的含铝和钒的钛合金相比有很大改进，这些合金的特点是不具有细胞毒性和弹性模量较低。在医疗应用中使用第二代钛合金的因素有很多，特别是应用于植入人体方面。增材制造技术为设计和生产具有复杂几何形状的零件提供了极大的可能性，这是其他传统方法无法取代的。采用激光粉末床融合技术（L-PBF）制造的零件质量好，高度依赖于所用粉末的特性。市面上的众多钛合金中，在实用性、价格和功能方面最有前途的是由ASTM F1713定义的Ti-13Nb-13Zr合金。尽管这种材料被认为是一种出色的植入材料，但没有通过增材制造工艺制备的先例，主要问题仍然是L-PBF技术的工艺优化。现有研究不足以完全理解在加工过程中和处理后影响材料特性的机制。

波兰弗罗茨瓦夫理工大学的一项最新研究根据Ti-13Nb-13Zr的化学成分选择合适参数以及明确加工粉末的工艺窗口，从而制备出致密度更高的试样。相关论文以题为“Investigation of Ti-13Nb-13Zr alloy powder properties and development of the L-PBF process”发表在Materials & Design。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110546

本研究原料为直接采购的直径40mm钛棒，为了获得L-PBF粉末，应用电极感应熔化惰性气体雾化制备成粉末，粉末尺寸为20-45µm。

研究发现，L-PBF使β晶粒同质外延生长，导致整体分层逐渐凝固，这种现象在ZX和YZ截面上尤其明显。这会导致晶粒在热梯度方向（沿Z轴）上伸长。原始材料（称为BULK）包含α和β-Ti相。在EIGA工艺后的粉末中，只有α相。在L-PBF处理后的材料中，与BULK状态相反，没有观察到β相，但观察到了ω相。

图1 L-PBF处理后Ti-13Nb-13Zr合金XY、YZ和ZX面显微组织图


图2 不同参数样品的相对密度范围


图3 Ti-13Nb-13Zr材料的相组成，比较L-PBF工艺后材料、粉末和块状成分的变化

表1 应用Ti-Nb-Zr粉末为L-PBF原料的工艺比较


表2 利用L-PBF技术对Ti-13Nb-13Zr合金进行工艺优化、组织结构、物相和化学成分分析

本文对Ti-13Nb-13Zr合金形态的三个阶段进行了详细分析：块状材料、EIGA生产的粉末和L-PBF制造后。跟踪由热L-PBF工艺引起的微观结构变化，发现经EIGA后获得的粉末成分为Ti-15Nb-14Zr，说明由于热加工过程发生了化学成分变化。通过薄壁实验验证了三个因素（扫描点之间的距离、每个点的曝光时间和激光功率）对零件的影响。提出了L-PBF参数中最佳速度与粒径在5-20µm内的粉末稳定流动性之间的对应关系。在研究中提出的一个重要补充是对工艺窗口的准确定义，本研究有助于提高复杂零件的产品质量和生产可重复性。