Thành phần củaHợp kim titan TC4là Ti-6AI-4V, thuộc loại hợp kim titan (a+β). Nó có tính chất cơ học toàn diện tốt, cường độ riêng cao, khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, khả năng tương thích sinh học tốt và được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ, hóa dầu, y sinh và các lĩnh vực khác. Bài báo này lựa chọn phương pháp điện cực quay plasma để chế tạobột hợp kim titanvà thảo luận về cơ chế hình cầu hóa của bột hợp kim titan. Quy luật tiến hóa của cấu trúc vi mô của nó được khám phá và các phương pháp xử lý nhiệt chính sẽ được thảo luận, cung cấp cơ sở lý thuyết cần thiết cho việc ứng dụng hợp kim titan TC4 trong công nghệ in 3D.
2.1 Vật liệu và phương pháp thí nghiệm: Bột hợp kim TC4 được điều chế bằng phương pháp nguyên tử hóa điện cực quay plasma và thành phần hóa học của nó được phân tích bằng các thiết bị như trong Bảng 1.
| Al | Fe | V | C | N | Và | O | H | Của |
| 6.25 | 0.27 | 3.92 | 0.1 | 0.006 | 0.10 | 0.12 | 0.005 | 89.23 |
Theo bảng, hàm lượng H, N và O trong bột tương đối thấp, đáp ứng yêu cầu in ấn các sản phẩm hiệu suất cao. Hình dạng của các hạt bột được điều chế bằng quá trình này rất gần với hình cầu, có bề mặt nhẵn, khả năng chảy tốt và không có quá nhiều tạp chất. Ảnh SEM được quan sát dưới kính hiển vi điện tử quét được thể hiện trong Hình 1 và các hạt bột riêng lẻ được thể hiện trong Hình 2. Qua quan sát, khi hình dạng hình học của các hạt bột hợp kim titan TC4 là hình cầu thì khả năng định dạng tốt, trong khi bột hình elip có khả năng chảy và định dạng kém. Bột hợp kim titan hình cầu có khả năng chảy tốt trong quá trình chuẩn bị in 3D bằng laser.
2.2 Kết quả và phân tích thí nghiệm 2.2.1 Cơ chế tạo bóng của bột hợp kim titan TC4 Trong công nghệ in 3D, vật liệu bột kim loại là nguyên liệu thô để in 3D kim loại và các đặc tính cơ bản của nó có tác động đáng kể đến chất lượng hình thành sản phẩm cuối cùng. Nó cũng là một trong những cơ sở vật chất và các yếu tố then chốt để đạt được nguyên mẫu nhanh chóng. Bột hợp kim TC4 được điều chế bằng phương pháp nguyên tử hóa điện cực quay plasma có hình dạng hạt rất gần hình cầu, bề mặt nhẵn và khả năng chảy tốt. Cơ chế tạo bóng bột chủ yếu bao gồm ba quá trình, như trong Hình 3. Trong quá trình đầu tiên, các giọt hợp kim nóng chảy bị tác động bởi luồng không khí tốc độ cao, khiến chúng phát triển thành một màng chất lỏng lượn sóng và di chuyển ra khỏi tâm khí ở tốc độ cao; Trong quá trình thứ hai, do áp suất, các giọt hợp kim kéo dài không ổn định. Dưới sức căng bề mặt của chất lỏng, chúng bị thổi bay và vỡ ra, tạo thành những giọt hình elip; Trong quy trình thứ ba, giọt hình elip tiếp tục vỡ ra một lần nữa dưới tác động của áp suất không khí và sức căng bề mặt chất lỏng và bị phân cắt thành nhiều giọt nhỏ. Dưới tác động của sức căng bề mặt, giọt nước có xu hướng co lại thành hình cầu trong quá trình hạ xuống và quá trình làm mát tăng tốc, ngay lập tức đông đặc lại thành hình cầu.
Thí nghiệm này có thể thu được kích thước hạt hợp kim titan TC4 phân bố chủ yếu trong khoảng 50-160 μm bằng cách kiểm soát các thông số liên quan của thí nghiệm. Phân bố kích thước hạt hẹp và đáp ứng yêu cầu in 3D.
2.2.2 Cấu trúc vi mô của mẫu hợp kim titan TC4 Cấu trúc kim loại của mặt cắt ngang của mẫu hợp kim titan TC4 được thể hiện trên Hình 4. Khi chùm ion tác dụng lên bột hợp kim titan TC4 sẽ hình thành một bể nóng chảy hình tròn. Trong bể nóng chảy, nhiệt độ giảm dần từ tâm ra rìa, thể hiện phân bố Gaussian. Sự khác biệt về nhiệt độ dẫn đến mức độ nóng chảy khác nhau của bột hợp kim titan TC4, trong đó bột ở nhiệt độ thấp hơn ở vùng rìa vẫn không tan chảy hoặc tan chảy không đủ, dẫn đến sự khác biệt về cấu trúc vi mô hạt và kích thước giữa vùng nóng chảy và vùng rìa. Việc sử dụng chế độ chấm xung cho lớp phủ bột kim loại có thể làm giảm ảnh hưởng của gradient nhiệt độ lên vùng bị ảnh hưởng nhiệt. Khi nguồn nhiệt sau tác dụng lên bột hợp kim, nó cũng bổ sung năng lượng cho vùng rìa của điểm trước đó để nấu chảy lại. Sau khi có được năng lượng, hạt tiếp tục phát triển theo hướng hấp thụ năng lượng.
Ảnh cấu trúc kim loại của mặt cắt dọc của mẫu hợp kim titan TC4 được thể hiện trên Hình 5. Qua quan sát bằng kính hiển vi kim loại, cấu trúc vi mô là các sản phẩm cột β thô. Như được hiển thị trong Hình 5, ranh giới hạt có thể được quan sát rõ ràng và các tinh thể cột phát triển dọc theo hướng lớp xếp chồng, với các hướng phát triển khác nhau. Sự tăng trưởng dừng lại ở ranh giới tinh thể cột β, đồng thời, các tinh thể cột ở xa chất nền tiếp tục phát triển epitaxy, với hiện tượng phát triển hạt. Sau khi phân tích, người ta thấy rằng nhiệt độ tạo ra trong quá trình điều chế hợp kim TC4 bằng in 3D có tác động đến cấu trúc vi mô của hợp kim titan. Khi một phần bột hợp kim bị nóng chảy bởi chùm ion, phần phía trước của hợp kim sẽ được nung nóng lại. Tuy nhiên, hệ số tự khuếch tán pha beta của hợp kim TC4 tương đối lớn và năng lượng nhỏ hơn có thể thúc đẩy sự phát triển của hạt. Do đó, các tinh thể dạng cột dễ bị phát triển và quá nhiệt trong quá trình hâm nóng.
Do đó, việc kiểm soát năng lượng của nguồn nhiệt có thể làm thay đổi cấu trúc vi mô của hợp kim TC4 một cách hiệu quả.
2.2.3 Dung dịch rắn và xử lý nhiệt lão hóa Hình 6 cho thấy cấu trúc kim loại của hợp kim TC4 ở ba trạng thái xử lý nhiệt khác nhau: như lắng đọng (a), 970 ° C/1h+540 ° C/4h (b) và 970 ° C /1h (c). Hợp kim TC4 lắng đọng có cấu trúc vi mô hỗn hợp gồm dung dịch rắn alpha và dung dịch rắn beta; Sau khi xử lý nhiệt ở 970°C/1h+540°C/4h (b), cấu trúc kim loại chuyển thành cấu trúc giỏ lưới; Sau khi xử lý nhiệt tiếp ở 970°C/FC/1h (c), cấu trúc chuyển thành cấu trúc lưỡng kim bao gồm cấu trúc dạng giỏ và pha alpha hình cầu. Trong số đó, hiệu suất rão ở nhiệt độ cao, độ bền và độ dẻo của cấu trúc giỏ là tốt, trong khi độ dẻo của cấu trúc lưỡng kim thấp và độ bền cao.
Qua phân tích, người ta biết rằng dung dịch rắn và xử lý nhiệt lão hóa có thể cải thiện hiệu quả độ bền và độ dẻo của hợp kim titan TC4, nhưng tốc độ làm nguội có tác động đáng kể đến độ bền và độ dẻo của hợp kim titan TC4, và nên áp dụng các phương pháp làm mát thích hợp trong sản xuất.
Hình 7 cho thấy hình ảnh hiển vi của cấu trúc vi mô của giỏ lưới hợp kim titan TC4 theo các phương pháp làm mát khác nhau. Khi hợp kim titan TC4 được làm mát bằng không khí, xảy ra sự biến đổi pha bán khuếch tán. Sau khi dung dịch rắn và xử lý lão hóa, dung dịch rắn pha β giữa dung dịch rắn pha α sơ cấp sẽ xuất hiện dưới dạng dung dịch rắn pha α thứ cấp nhỏ, như trong Hình 7 (a); Khi hợp kim titan TC4 được làm nguội trong lò, sự biến đổi pha kiểu khuếch tán xảy ra. Sau khi xử lý bằng dung dịch rắn, cấu trúc lưỡng kim được hình thành. Dung dịch rắn pha β giữa dung dịch rắn pha α sơ cấp trong hợp kim không tạo ra dung dịch rắn pha α thứ cấp do không được xử lý nhiệt lão hóa tiếp theo, như trong Hình 7 (b); Khi so sánh, có thể thấy rằng trong điều kiện làm mát lò, ranh giới hạt và dung dịch rắn pha alpha nội hạt thô hơn so với điều kiện làm mát bằng không khí. Khi hợp kim titan TC4 chịu tác dụng của ngoại lực, các vết nứt có nhiều khả năng bắt đầu và lan truyền ở các ranh giới hạt, dẫn đến độ dẻo giảm và không sử dụng được khuôn in.
Tóm tắt: (1) Bột hợp kim titan TC4 được điều chế bằng phương pháp điện cực quay plasma, (Tianjiu Metal có thể tùy chỉnh bột hợp kim titan TC4 với các quy trình khác nhau tùy theo nhu cầu của khách hàng), hình dạng hạt bột rất gần với hình cầu, bề mặt mịn, khả năng chảy tốt và có đặc tính bột tốt, đáp ứng yêu cầu in 3D.
(2) Cấu trúc vi mô mặt cắt ngang của hợp kim titan TC4 cho thấy các tinh thể cột tỏa ra từ trung tâm nhiệt độ đến rìa, trong khi cấu trúc vi mô của mặt cắt dọc cho thấy các tinh thể cột phát triển dọc theo hướng lớp xếp chồng. Việc kiểm soát năng lượng nguồn nhiệt có thể cải thiện hiệu quả cấu trúc vi mô của hợp kim titan TC4.
(3) Phương pháp xử lý nhiệt bằng dung dịch rắn + lão hóa và làm mát không khí giúp cải thiện hiệu quả độ bền và độ dẻo của hợp kim titan TC4 lắng đọng, giúp hiệu suất của nó đáp ứng các yêu cầu của in 3D hợp kim titan TC4.
SAT NANO là nhà cung cấp bột hợp kim titan bột hợp kim TC4 tốt nhất tại Trung Quốc, chúng tôi có thể cung cấp hạt 15-45um, 15-53um, 45-105um và các kích thước hạt khác, nếu bạn có bất kỳ yêu cầu nào, vui lòng liên hệ với chúng tôi tại bộ phận bán hàng03 @satnano.com
