3D打。。═hree Dimensional Printing）是急剧成型技术之一。。利用粉末状塑料或金属等可粘合性资料，通过离散堆积道理[1]，凭据三维实体模型，通过度层软件，按肯定厚度进行分层，将三维数字模型转换成厚度很薄的二维平面模型，再逐层打印组成实物的技术。。

钛合金拥有高强度，低弹性模量和低密度，极好的抗委顿性和耐侵蚀性等利益，迅速增长的激光3D打印行业确当先资料[2]，出格得到航空航天和医疗领域的青睐。。钛合金凭据退火态下组织分为α型、、β型及α+β型三类。。商标是“T”后别离跟A、、B、、C 和挨次数字号，如TA4~TA8 暗示α型；TB1~TB2 暗示β型；而TC1~TC10 暗示α+β型。。α型钛合金室温强度较低（ρ_b 约850 MPa），但高温（500~600℃）强度（500℃时，ρ_b = 400 MPa）和蠕变强度却居钛合金之首；且该类合金组织不变，耐蚀性良好，塑性及加工成型性好，还拥有良好的焊接机能和低温机能；β型钛合金在淬火态塑性韧性很好，冷成型性好；但该合金密度大，组织不够不变，耐热性差，使用不太宽泛；α+β型钛合金兼有α型及β型钛合金的特点，有非：玫淖酆匣，利用最为宽泛。。

TC4钛合金的组成为Ti-6Al-4V，属于（α+β）型钛合金，拥有优良的综合力学机械机能，比强度大、、耐侵蚀机能良好[3]，生物相容性好等而被宽泛利用于航空航天、、石油化工、、生物医学等领域。。本文对3D打印钛合金粉末几种重要的制备步骤进行比力，选择等离子旋转电极法制备钛合金粉末，并会商了钛合金粉末成球机理，对其微观组织的演变法规进行了索求性钻研，会商了重要的热处置步骤，为3D打印技术TC4钛合金的利用提供必要的理论基础。。

1、、3D打印资料TC4合金粉末的制备步骤

3D打印按资料分歧有分歧类型，其中金属粉末作为3D打印的重要原料之一，需选取纯度较高的金属粉体作原料，粉体的有关参数如化学成分、、颗粒状态、、粒度巨细及粒度散布、、流动性等对3D打印成型的质量有很大影响。。钛及钛合金资料以其特有的机能，被制备成粉末后，满足3D打印金属资料的要求，但制备的难度也很大。。目前，较为成熟的3D打印钛合金粉末制备的重要技术有：等离子旋转电极法、、等离子丝材和气体雾化法等[4-5]。。

钛合金粉末经3D打印出产出来的产品，机能拥有硬度高、、热膨胀系数低和优良的耐侵蚀性等利益。。

1.1 比力钛合金粉末重要的三种制备步骤[6]

1.1.1 等离子旋转电极法

此制备步骤是电极用金属或合金制成，端面受电弧加热熔融为液体，在自身高速离心力作用下，将液体抛出粉碎为藐小液滴，而后冷凝成粉末，这种工艺制备能够调整电极转速节制粉末粒径，是获得较为梦想的球形粉末方式之一。。拥有球形度高，粉末流动性好，送装密度高，理论光洁等特点，打印过程节制靠得住，不易产生析出性气体、、裂纹等缺点。。但由于离心速度的限度，制得的钛合金粉末粒度较粗，且粒度散布区间相对集中，成本较高，出产率低。。

1.1.2 等离子丝材雾化法

此制备步骤是以分歧的合金丝材为原料，经工艺加工为球形粉末步骤。。最早由加拿大Raymor 公司自主开发，并占有自主制作设备，在业内有肯定的影响力。。选取这种技术出产的球形粉末细粉拥有出粉率高，杂质少，工作效能高档利益，适合钛合金粉末研制，但也有微量“卫星球”和极少量的粘附景象，对使用机能影响不显著。。

1.1.3 气体雾化法

气体雾化法是借助高速气流来击碎金属液流，急剧凝固后形成粉末的步骤，此步骤只需克服液体金属原子间作使劲就能使之分散，任何能形成液体的资料根基上都可进行雾化，目前利用较多的有真空雾化法和惰性气体雾化法。。气体雾化法制备的钛合金粉，拥有急剧凝固成型，粉末颗粒无空心、、球形度较好等特点，但出粉率低，出产成本高。。现阶段国内大多选取的雾化技术出产钛及钛合金粉末，出粉率都不高。。

1.2 分歧制备工艺比力

上述几种球形钛及钛合金粉末制备步骤是当前国内外钻研和出产试验的主流方向，第一种步骤设备造价低，制得的钛合金粉末球形度好，但得到的粉末粒度较粗，这个能够通过调节参数节制粉末粒度的粗细。。第三种制得的合金粉末球形度好粒度小，制备种类也较多，但国内利用技术还不是很成熟。。气体雾化法粉末颗粒细，粉末含氧量低，对原料没有特殊 要求，但出产成本较高。。

几种制备步骤各有优弊端，经分析比力，选用等离子旋转电极法雾化制备钛合金粉末，成效显著。。

2、、3D打印资料TC4钛合金组织机能

2.1 尝试资料与步骤

尝试选取等离子旋转电极雾化法制备TC4合金粉末，经仪器分析其化学成分，如表1所示。。

由表知，粉末中的H、、N、、O 含量较低，切合打印高机能产品的需要。。用这种工艺制备的粉末颗粒状态极度靠近球形，理论光洁，流动性好，无过多杂质，在扫描电镜下观察的SEM照片如图1 所示，单个粉末颗粒如图2 所示。。经观察，TC4钛合金粉末颗粒的几何状态呈球形散布时，成形机能好，而椭圆形粉末流动性差，成形机能差，呈球形的钛合金粉末在激光3D打印制备过程中拥有优良的流动性。。

2.2 尝试了局与分析

2.2.1 TC4钛合金粉末成球机理

3D打印技术中，金属粉体资料是金属3D打印的原资料，其粉体的根基机能对产品最终的成型的质量有很大影响，同时是实现急剧成形的物质基础和关键身分之一[7]。。用等离子旋转电极雾化法制备的TC4合金粉末，制得粉末颗粒状态极度靠近球形，理论光洁，流动性好。。粉末成球机理重要分三个过程，如图3 所示，第一过程借助高速气流冲击被熔融的 合金液滴，使合金液滴拉长成波浪形液体薄膜，高速远离气体中心；第二过程，由于气压的原因，细长状的合金液滴不不变，在液体理论张力作用下，再经喷吹断裂，形成椭圆形液滴；第三过程，椭圆形液滴持续在气压和液体理论张力的作用下，产生再次破碎，被分段成若干小液滴，在理论张力作用下，降落过程中液滴有收缩成球状的趋向，冷却加快，立即凝固成为球形。。

本次尝试能够通过节制尝试有关参数，来获得重要散布在50 ~ 160μm领域内的TC4钛合金粒径，粒径散布窄，满足3D打印要求。。

2.2.2 TC4钛合金试样的微观组织

TC4钛合金试样橫截面的金相组织照片如图4所示，离子束作用于TC4钛合金粉末时，形成圆形熔池，熔池内，由中心到边缘，温度逐步降低，呈高斯散布。。温度的差距使得TC4钛合金粉末溶解水平也分歧，边缘区域温度低的粉末未消融或溶解不充分，从而导致熔池与边缘区域的晶粒微观描摹和尺寸分歧。。选取脉冲打点模式进行金属粉末熔覆，能够削减 温度梯度带来的热影响区的影响，当后一个热源作用于合金粉末时，同时对前一个光斑边缘区域补充能量，进行重熔，得到能量的晶：笱刈盼漳芰康姆较虺中沙。。

TC4钛合金试样纵截面的金相组织照片如图5所示，经金相显微镜观察，显微组织为粗壮的β柱状晶，由图5 知，可清澈观察到晶界，柱状晶沿堆积层方向成长，成长方向分歧，成长到β柱状晶晶界处终场成长，同时在远离基材区域的柱状晶，外延持续成长，有晶粒长大景象。。经分析得，3D打印在制备TC4合金的过程中产生的温度对钛合金的显微组织有影响，当离子束溶解后部门合金粉末时，对前部门合金属于再加热，而TC4合金的β相自扩散系数较大，较小能量就能推进晶粒的成长。。故β柱状晶在再加热时易出现长大和过热偏差[8]。。

所以，对热源能量的节制能够有效的扭转TC4合金显微组织。。

2.2.3 固溶与时效热处置

图6 为沉积态（a）、、970℃/AC/1h+540℃/AC/4h（b）和970℃/FC/1h（c）三种分歧热处置状态下TC4合金的金相组织。。沉积态TC4合金，金相组织为α固溶体和β固溶体的混合组织；经过970℃/AC/1h+540℃/AC/4h（b）热处置后，金相组织转变为网篮组织；再经过970℃/FC/1h（c）热处置后，组织转变为双态组织，双态组织为网篮组织和球化α相。。其中，网篮组织的高温蠕变机能以及强度、、塑性均较好，而双态组织的塑性低、、强度较高。。

经分析知，固溶与时效热处置能够有效地改善TC4钛合金的强度和塑性，但冷却速度对TC4钛合金的强度和塑性有较大的影响，出产中应选取相宜的冷却方式。。

图7 是分歧冷却方式下，TC4钛合金网篮组织显微镜微观图像。。TC4钛合金空冷时，产生半扩散型相变，固溶+时效处置后，初生α相固溶体之间的β相固溶体味以藐小的次生α相固溶体出现，如图7（a）；TC4钛合金炉冷时，产生扩散型相变，固溶处置后，形成双态组织，合金中初生α相固溶体之间的β相固溶体由于没有后续的时效热处置，次生α相固溶体没有产生如图7（b）；经对比可知，炉冷前提下晶界和晶内α相固溶体都要比空冷前提下粗壮，TC4钛合金受外力作用下时裂纹更容易在晶界处萌生和扩大，造成塑性降低，不利用打印成型。。

3、、结论

（1）等离子旋转电极法制备的TC4钛合金粉末，粉末颗粒状态极度靠近球形，理论光洁，流动性好，拥有优良的粉末特点，切合3D打印要求。。

（2）TC4钛合金横截面的显微组织由温度中心到边缘呈辐射状的柱状晶，纵截面的显微组织为沿着堆积层方向成长的柱状晶，热源能量的节制能够有效的TC4钛合金的显微组织。。

（3）热处置为固溶+时效，空冷的冷却方式，有效地提高了沉积态TC4钛合金的强度和塑性，使其机能都达到了TC4钛合金3D打印要求。。

参考文件：

[1] 江洪，康学萍援3D打印技术的发展分析[J]援新资料产业，2013（10）：30-35.

[2] 罗丽娟，余森，于振涛，等.3D打印钛及钛合金医疗器械的优势及临床利用近况[J].生物骨科资料与临床钻研，2015，12（6）：72-75.

[3] Hryha E. ，Shvab，R. ，Bram，M. ，Bitzer，M. & Nyborg，L.Surface chemical state of Ti powders and its alloys：Effect ofstorage conditions and alloycomposition [J].Applied SurfaceScience.apsuscs，2016，01（046）：1-18.

[4] Tao Peng. Analysis of energy utilization in 3Dprintingprocesses [J].Procedia CIRP，2016（40）：62-67.

[5] Huanhuan Dong ，Suiyuan Chen ，Kuai Guo，et al. Study onLaser 3DPrinting Properties of TC4Alloy Powders preparedby E IGA method[J].Colored ore smelting，2016（32）：33-39.

[6] 翁益平，张云坤.推算机辅助设计及电子束熔融急剧成型金3D打印技术制备个性化股骨假体[J].中国修复重建外科杂志，2015（9）：1088-1091.

[7] Xinhua Mao，Xin Liu ，et al.Effect of preparation methods onProperties of Ti -6AL -4V Alloy Powder for 3DPrinting[J].Materials Application and Research，2017（11）：13-17.

[8] 邹涛，张敏.激光增材制作（3D打。。┲票割押辖鸬奈⒐圩橹暄衃J].利用激光，2016（6）：286-290.

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