全產業(yè)鏈發(fā)展模式，堅持走工程化應用路線 ——賽隆Ti48Al2Cr2Nb發(fā)展歷程

導讀：鈦鋁合金具有耐高溫、抗氧化和密度低的特點，且其彈性模量、抗蠕變性能與鎳基高溫合金相當，密度還不到鎳基合金的一半，其使用溫度可望達到900℃ 以上，是600～900℃替代傳統(tǒng)的超合金，實現減重的理想材料，被認為是最有發(fā)展前景的高溫結構材料之一，在航空航天和汽車工業(yè)等領域具有廣闊的應用前景。

應用背景
目前國外在電子束選區(qū)熔化成形復雜鈦鋁合金構件方面開展了大量的研究，早在2005年，美國北卡州立大學就公開報道了電子束選區(qū)熔化鈦鋁合金的組織結構，隨后美國德克薩斯州立大學、瑞典Arcam公司和意大利Avio公司也相繼開展了電子束選區(qū)熔化成形鈦鋁合金的研究，特別是意大利Avio公司在電子束選區(qū)熔化成形復雜鈦鋁構件的工程化應用研究方面處于世界領先水平，目前該公司已經成功開發(fā)出多種鈦鋁復雜構件電子束選區(qū)熔化成形技術。

據報道，意大利Avio公司電子束選區(qū)熔化鈦鋁合金葉片已經進入批量生產階段，目標年產6萬片葉片。 2012年，美國通用電氣公司斥資43億美元收購了意大利Avio公司的航空業(yè)務，主要瞄準電子束3D打印鈦鋁葉片；2016年斥資7.6億美元全資收購了電子束3D打印技術與裝備的國際龍頭企業(yè)—瑞典Arcam公司，包括旗下的全球3D打印粉末原料主要生產商：加拿大AP&C公司，掌控了SEBM打印原料、工藝裝備和工程應用全鏈條的核心技術。
賽隆Ti48Al2Cr2Nb發(fā)展歷程與規(guī)劃
1、多次嘗試與改進，堅持開發(fā)穩(wěn)定可控原材料
在原料棒材熔煉方面，考慮到電子束3D打印成形過程中粉末中Al元素易燒損，穩(wěn)定強化元素Nb的含量不易準確控制以及雜質元素不易精準控制，賽隆金屬技術團隊利用西北有色金屬研究院在鈦合金熔煉技術方面的優(yōu)勢，經過不斷成分設計優(yōu)化，多次重熔與反復檢測，保證了原材料棒材主元素成分的精確控制和低雜質含量，也成功實現從熔煉錠到合金棒材的大批量穩(wěn)定生產。

表1某批次原材料棒材成分

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

在制粉過程中，賽隆金屬采取了兩種工藝技術路線：真空電極感應霧化（EIGA）技術和等離子旋轉電極（PREP）技術。
路線一：EIGA工藝（使用設備：ALD公司的EIGA 50設備）

△圖1 電極感應霧化基本原理示意圖

表2 賽隆采用EIGA技術制備的Ti48Al2Cr2Nb粉末成分

化學成分（Wt.%）	元素	Al	Cr	Nb	C	H	O	N	余量
	實測	33.4～35.6	2.45～2.60	4.5～5.0	≤0.007	≤0.003	≤0.068	≤0.003	Ti

△圖2 賽隆采用EIGA技術制備Ti48Al2Cr2Nb粉末形貌

表3 Ti48Al2Cr2Nb粉末基本物理性能

化學成分（Wt.%）	元素	Al	Cr	Nb	C	H	O	N	余量
	實測	33.4～35.6	2.45～2.60	4.5～5.0	≤0.007	≤0.003	≤0.068	≤0.003	Ti

路線二：PREP工藝（使用設備：賽隆自主開發(fā)的PREP  SLPA-H設備）

△圖3等離子旋轉電極霧化基本原理示意圖

表4 賽隆采用PREP技術制備Ti48Al2Cr2Nb粉末成分

化學成分（Wt.%）	元素	Al	Cr	Nb	C	H	O	N	余量
	實測	33.5～35.0	2.30～2.48	4.61～5.1	≤0.011	≤0.001	≤0.060	≤0.003	Ti

△圖4 賽隆采用PREP技術制備Ti48Al2Cr2Nb粉末形貌

表5 Ti48Al2Cr2Nb粉末基本物理性能

流動性	松裝密度	振實密度
≤29s/50g	≥2.38g/cm3	≥2.49g/cm3

賽隆金屬已經分別采用上述兩種工藝實現了Ti48Al2Cr2Nb粉末的大批量生產和供應，粉末已經被多家企業(yè)、高校、研究所、航天航空單位批量使用并驗證。粉末氧含量控制方面，采用EIGA技術制備的Ti48Al2Cr2Nb粉末氧含量有待進一步降低，目前部分批次氧含量已經可以控制到650ppm以下，而采用PREP技術制備的Ti48Al2Cr2Nb粉末氧含量已經可以穩(wěn)定控制在600ppm左右。另外利用同步輻射光源對兩種技術制備的粉末空心粉率進行了研究統(tǒng)計，目前EIGA技術制備的Ti48Al2Cr2Nb粉末空心粉率約是PREP技術制備的Ti48Al2Cr2Nb粉末空心率的3～4倍。

2、國產裝備與工藝，堅定不移走自主開發(fā)路線
在保證合格的原料粉末的前提下，另外一個需要解決的“卡脖子”關鍵問題是成形裝備和成形工藝，目前國內外市場上從事粉床電子束3D打印設備開發(fā)的廠家主要有瑞典的GE Additive Arcam 和Freemelt、日本的Tada Electric、中國的西安賽隆和天津清研智束等公司，但國外裝備對自身核心技術完全封鎖，面向用戶不開源，同時限定及綁定了諸多條款，用戶只能實現簡單的制造，很難走向自主創(chuàng)新創(chuàng)造。
目前賽隆金屬電子束3D打印成形Ti48Al2Cr2Nb的裝備擁有完全自主知識產權，其中最核心的電子槍系統(tǒng)，裝備控制軟件及模型剖分、路徑規(guī)劃軟件，開源可調可控的材料成形工藝等均為自主設計開發(fā)。

△圖5賽隆金屬粉床電子束3D打印裝備

以自主開發(fā)的粉末原料和裝備為基礎，賽隆金屬經過3年多不斷摸索和嘗試，從穩(wěn)固粉床到成形精度控制，到內部冶金質量控制及打印路徑和支撐優(yōu)化等問題，再到最終的葉片等零部件成形及熱處理和后續(xù)表面精整工作，經歷了重重考驗，最終成功開發(fā)出Ti48Al2Cr2Nb穩(wěn)定打印工藝包。

△圖6 賽隆電子束3D打印Ti48Al2Cr2Nb試驗件實物

△圖7 熱等靜壓態(tài)微觀組織

以熱等靜壓后處理過程為例，通過優(yōu)化熱等靜壓工藝，使Ti48Al2Cr2Nb試件的組織更一步均勻化和致密化，如圖7所示。

表6 賽隆采用EIGA技術Ti48Al2Cr2Nb粉末打印的力學性能數據

溫度	屈服強度（Mpa）	抗拉強度（Mpa）	延伸率(%)
室溫	≥360	≥420	≥1.0
650℃	≥320	≥380	≥1.2

表7 賽隆采用PREP技術Ti48Al2Cr2Nb粉末打印的力學性能數據

溫度	屈服強度（Mpa）	抗拉強度（Mpa）	延伸率(%)
室溫	≥400	≥455	≥1.2
650℃	≥350	≥410	≥1.4

截止目前，公司自身不斷優(yōu)化工藝已經累計消耗超過1.5噸粉末，并且超過500爐次打印，目前每爐次試驗棒穩(wěn)定性極高，不同擺放方式，擺放位置，不同爐次之間力學性能誤差≤5%。

3、開放、融合、合作，堅定產業(yè)化決心不變
2020年，在國家重大項目的支持下，由西北有色金屬研究院粉末冶金研究所牽頭，賽隆金屬配合實施產業(yè)化戰(zhàn)略，制定了基于公司層面的十四五規(guī)劃，其中一條重要方向是堅定將鈦鋁類金屬間化合物的3D打印由研發(fā)轉向中試并走向產業(yè)化。公司計劃規(guī)劃電子束3D打印生產線40余條，目前15條已經調試運行完畢。除穩(wěn)定庫存≥5噸檢驗合格的Ti48Al2Cr2Nb棒材以快速響應制粉之外，賽隆金屬常備庫存還有Ti22Al25Nb、Ti45Al8Nb等牌號粉末，也可以為用戶提供定制牌號鈦鋁金屬間化合物粉末并進行電子束3D打印工藝驗證。

以下為賽隆金屬利用自主開發(fā)的PREP技術粉末+EBM技術打印的部分零件實物圖：

            

高壓渦輪葉片

低壓渦輪葉片

噴管

4、征途漫漫，道阻且長，任重道遠
2020年9月28日，GE航空宣布GE9X發(fā)動機已經獲得美國聯邦航空管理局（FAA）的認證，這是GE9X發(fā)動機為777X系列飛機提供動力的關鍵里程碑。目前該發(fā)動機具有300多個增材制造零件，其中鈦鋁低壓渦輪葉片屬于其中之一。截至目前，國內對于電子束選區(qū)熔化成形過程中組織的形成機理及同步控制技術還缺少系統(tǒng)的研究，成形鈦鋁合金力學性能距離鍛件水平還存在較大差距，針對電子束選區(qū)熔化成形鈦鋁合金零件，尤其是航空發(fā)動機低壓渦輪葉片的工程化應用研究基本沒有。從基礎成分、成形工藝、后續(xù)處理研究到最終的裝機驗證、批量化工程應用，賽隆金屬誠摯希望聯合國內高校、研究所、航空航天等應用單位共同努力，開發(fā)合作，共同推進該產業(yè)以及技術的進步。

歡迎對鈦鋁合金系列（Ti48Al2Cr2Nb、Ti22Al25Nb、Ti45Al8Nb）感興趣朋友前來交流（球形鈦鋁粉末、電子束3D打印工藝研究、樣件裝機考核驗證、等離子旋轉電極制粉與電子束3D打印裝備……）

備注：所有數據及圖片版權屬于賽隆金屬所有，侵權必究，如需轉載，請聯系：賽隆金屬（029-86232183）

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