第二章 钛合金材料基础

各位同学好，我是老张。在增材制造这行摸爬滚打了十几年，今天咱们聊聊钛合金。说实话，钛合金这材料，又爱又恨。爱它性能好，恨它难伺候。但搞电子束增材制造，这关必须过。

2.1 钛合金分类

钛合金的分类，说白了就是看它的微观组织。我习惯按退火态组织来分，主要有三类：

• α型钛合金：含α稳定元素为主，比如纯钛、TA7。特点是耐热性好，焊接性能不错。但强度一般，塑性也差点意思。
• β型钛合金：含大量β稳定元素，比如TB6、Ti-15V-3Cr。强度高，成型性好。但热稳定性差，高温下容易出问题。
• α+β型钛合金：两相混合，比如咱们最常用的TC4。综合性能好，强度、塑性、韧性都说得过去。

嗯，这里要注意。实际生产中，α+β型占了增材制造的80%以上。为什么？因为它的工艺窗口宽，不容易开裂。我刚开始做EBM时，试过纯钛，结果粉末流动性差，铺粉都铺不均匀。后来换了TC4，问题迎刃而解。

2.2 TC4（Ti-6Al-4V）特性

TC4，学名Ti-6Al-4V。6%的铝，4%的钒，剩下是钛。这配方看着简单，但门道不少。

性能指标	典型值	说明
密度	4.43 g/cm³	比钢轻40%左右
抗拉强度	≥895 MPa	热处理后可达1100 MPa
屈服强度	≥828 MPa	塑性变形起始点
延伸率	≥10%	塑性指标，越高越好
熔点	约1650°C	电子束熔化的参考温度

为什么TC4这么受欢迎？我个人觉得，关键在于它的"宽容度"。你想想看，增材制造过程中，温度场变化剧烈。从室温到近1700°C，再快速冷却。很多材料在这种热循环下会开裂，但TC4扛得住。

我记得有一次做航空支架，客户要求用Ti-6242。结果打印出来，层间结合差，一检测全是微裂纹。后来换成TC4，同样的工艺参数，一次通过。从那以后，我对TC4就特别信任。

2.3 粉末制备工艺

粉末制备，这是增材制造的"第一道关"。粉末不好，后面全白搭。目前主流方法有三种：

1. 气雾化法（GA）：高压惰性气体将熔融金属打碎。成本低，产量大。但粉末球形度一般，有卫星粉。
2. 等离子旋转电极法（PREP）：高速旋转的钛棒在等离子弧中熔化，离心力甩出液滴。球形度好，无卫星粉。但成本高，产量低。
3. 等离子雾化法（PA）：用等离子火炬熔化钛丝，气体雾化。介于两者之间，综合性能不错。

我个人偏好PREP法制备的粉末。为什么？因为EBM对粉末流动性要求极高。PREP粉球形度好，铺粉时阻力小，层厚均匀。虽然贵点，但值得。

这里有个小故事。有次一个供应商推荐气雾化粉，说便宜30%。我试了试，结果铺粉时粉末"架桥"，形成空洞。打印出来的零件，内部全是缺陷。后来我定了个规矩：EBM用粉，必须PREP或PA，气雾化粉只用于验证实验。

2.4 粉末性能要求

粉末性能要求，我总结为"四大金刚"：

• 粒度分布：EBM常用45-106 μm。太细了容易扬尘，太粗了熔化不充分。我习惯用D10=45 μm，D90=106 μm，D50=70 μm左右。
• 球形度：≥0.9。球形度差，铺粉密度低，零件致密度下降。
• 流动性：霍尔流速≤35 s/50g。流动性差，铺粉不均匀，容易出现层间缺陷。
• 氧含量：≤0.15%。钛合金对氧敏感，氧高了，塑性下降，脆性增加。

你想想看，粉末在EBM过程中，要经历铺粉、预热、熔化、凝固四个阶段。每个阶段都对粉末有要求。铺粉阶段要流动性好，预热阶段要抗氧化，熔化阶段要成分均匀，凝固阶段要收缩一致。

我曾经吃过氧含量的亏。有一批粉末，供应商说氧含量0.12%，结果打印出来的零件延伸率只有6%。一检测，氧含量0.25%。原来是粉末储存不当，吸潮氧化了。从那以后，我要求每批粉末必须真空包装，使用前还要做氧含量复检。

知识体系框架

下面这张图，是我自己整理的钛合金材料知识体系。搞懂这些，EBM工艺就成功了一半。

好了，这一章的内容就到这里。钛合金材料这块，说难不难，说简单也不简单。关键是多实践，多总结。下一章咱们聊电子束设备，到时候见。