真空感应熔炼气雾化TA15钛合金粉末制备

TA15钛合金粉末采用真空感应熔炼气雾化法制备，全程以氩气为保护气体防止钛合金氧化，原料为规格Φ160mm×200mm的TA15钛合金铸锭，制粉前需清理铸锭表面氧化皮与杂质以保证金属液纯净度。熔炼环节采用优化后的中频感应线圈加载方案（方案3），最高功率400kW，加载流程按“100kW×2min→200kW×3min→250kW×2min→350kW×3min→400kW×3min”进行，使铸锭完全熔化且钛液温度稳定在1760℃，既确保合金元素充分混合，又避免过度加热导致杂质挥发或能量浪费。

图1 TA15冷坩埚真空感应熔炼试验方案

雾化阶段选用Φ4.5mm导流管，喷气压力控制为4.8±0.1MPa，此时粉末中值粒径（D₅₀）达74.4μm，0~53μm细粉收得率35.7%；喷嘴采用4孔环孔自由落体式，喷孔直径12mm、中心距50mm、聚焦1次，喷射顶角优化为11°，可减少液滴反飞堵嘴问题并降低空心粉率，同时全程控制真空度≤1Pa。雾化完成后，用超声波振动筛对粉末分级，得到0~53μm与53~106μm两类粉末，分级后通过化学成分、粒度分布等性能检测，最终形成符合增材制造要求的合格TA15钛合金粉末产品。

真空感应熔炼气雾化设备

图2 随压力变化的粉末中值粒径和细粉收得率

从粉末粒度分布结果来看，经熔炼、雾化工艺优化后，TA15钛合金粉末呈现典型正态分布，0~53μm占比35.7%，53~106μm占比33.3%，中值粒径（D₅₀）74.4μm。这一结果优于国内传统气雾化工艺（细粉收得率<30%），关键在于喷气压力与喷嘴结构的协同：4.8±0.1MPa喷气压力下，气流动能与液流破碎需求平衡，避免压力过低（4.5MPa时D₅₀=82.4μm、收得率27.6%）或过高（5.0MPa时D₅₀=87.3μm、收得率28.4%）的问题，该规律可通过图2《随压力变化的粉末中值粒径和细粉收得率》直观观察；11°喷射顶角的环孔喷嘴延长熔体下落距离，减少反喷堵嘴，对比16°顶角（D₅₀=85.2~87.8μm、收得率29.1%~31.0%），进一步印证喷嘴结构对粒度的控制作用。

图3 粉末粒度分布曲线图

图4 雾化喷嘴示意图

粉末化学与物理性能均达增材制造要求：杂质元素O（0.092%）、N（0.0067%）、H（0.0032%）远低于GB/T3620.1-2016限值，合金元素（Al6.56%、Mo1.80%等）符合TA15成分标准，这得益于真空（≤1Pa）与氩气氛围的防氧化作用；物理性能上，0~53μm粉末松装密度2.1g/cm³、休止角36°，53~106μm粉末松装密度2.27g/cm³、休止角36°，球形度0.92（0~53μm），满足流动性与堆积性需求，通过图5可验证其高球形度——粉末颗粒均匀、无明显异形、卫星球极少；更关键的是，工业CT检测显示，两类粉末空心粉率仅0.23%与1.06%，远低于“≤2%”的行业标准，大幅降低增材件内部裂纹风险。

图5 TA15钛合金粉末SEM形貌

图6 不同粒径段的TA15粉末CT影像空心粉图:(a)0~53μm，(b)53~106μm

增材制造工程验证进一步证实粉末的实用性：采用激光选区熔化设备成形，退火态试样抗拉强度1057~1175MPa、屈服强度1021~1163MPa、伸长率8%~16%；采用电子束选区熔化设备成形，沉积态试样抗拉强度1021~1125MPa、屈服强度942~999MPa、伸长率8%~12%。对比传统材料，增材件抗拉强度显著高于TA15棒材（885MPa）与精密铸件（885MPa），伸长率与板材（8%~12%）相当，部分试样伸长率达16%。这一优异性能源于粉末高纯净度（减少氧化夹杂）、低空心粉率（降低孔隙）与高球形度（保证铺层均匀），形成“工艺优化→粉末优质→成形件高性能”的逻辑闭环。

图7 激光选区熔化成形力学性能对比表

图8 电子束选区熔化成形力学性能对比表

声 明：文章内容来源于球形粉体制备与改性装备。仅作分享，不代表本号立场；图片非商业用途。如有侵权，请联系小编删除，谢谢！