1前言
近年来，增材制造（AM：Addit ive Manuf act uring）技术在钛及钛合金的主要应用领域飞机和医疗器械业界不断进行实用化的研究开发。增材制造技术的研究开发，在利用钛材的轻量、比强度高、耐蚀性好、生体相容性强等优点的同时，正在不断解决钛材的成形性差、加工成本高等问题。因此增材制造技术的实用化非常值得期待。
此外，通过进行机械加工不能制造的复杂形状的设计，将会开发出钛及钛合金的新用途。以下对日本新开发的、增材制造用的Ti-6Al-4V合金雾化粉末做简要介绍。
2气体雾化粉末的开发
20世纪90年代，为应对金属注塑成型（MIM）用微细低氧钛粉的需求，开始采用气体雾化法制备球形钛粉。为大幅度降低粉末制造成本和提高粉末质量，日本开发出感应熔融气体雾化法（IAP），并于1994年开始了实际设备的生产。为控制活性金属钛对氧的吸收，设备内总保持氩气充满的状态。这种方法不仅能抑制钛粉吸收氧，而且可对高价的氩气进行循环利用，从而实现利用气体雾化法高质量、低成本进行钛粉的批量生产。
传统的气体雾化法粉末由于受到熔融坩埚的污染，所以氧、碳含量高。IAP法利用感应加热线圈对原料棒材非接触加热使熔滴下落，同时喷吹高压氩气雾，制成球形粉末（图1）。由于该方法不与熔融坩埚接触，所以污染小，制作的粉末质量高。目前这种低氧气体雾化粉末已经注册，商标是TILOP（低氧钛粉）。
TILOP已经用于MIM制品，制作成近终形的钟表部件和医疗器械部件等机械加工不能制造的复杂形状部件，开拓了钛粉的新用途。此外，利用钛粉的球形特点，将钛粉推进用于热等静压（HIP）加工和喷镀加工。
3增材制造用钛合金粉末的开发
从2000年开始对增材制造用粉末的用途进行研究，当时的增材制造装置功率小，粉末成形体的相对密
度只有84%左右。并且尚不十分了解粉末的粉体特性对成形体相对密度的影响。
现在钛材增材制造使用的主流粉末是Ti-6Al-4V合金。增材制造用粉末应具有高流动性和低氧含量。以下对提高Ti-6Al-4V合金制备的低氧钛粉TILOP64的流动性和降低氧含量的技术开发做简要介绍。
在提高粉末流动性方面，使气体雾化的熔滴直径和气体流量等作业参数最佳化，可以改善粉末粒子的形状，可制作出细粒球形的粉末，从而提高粉末的流动性，使粉末适合于各种增材制造装置使用。
在低氧含量方面，日本企业使用低氧原料钛锭，预制成氧含量小于0.05wt.%的Ti-6Al-4V合金圆棒，用作低氧粉末的原料。使用市售Gr.5（氧含量0.17wt.%）的Ti-6Al-4V合金圆棒和低氧Ti-6Al-4V合金圆棒制备的气体雾化粉末氧含量比较结果如图2。图中的表面积是使用激光衍射/散射粒子直径分布测定装置得到的单位体积的粒子表面积（cm2/cm3）。低氧Ti-6Al-4V合金圆棒的气体雾化粉末的氧含量下降到0.1wt.%。粉末的表面积与粉末氧含量具有正比例的关系。因此可认为，粉末的自然氧化膜厚度基本上是一个定值，而与粉末粒子直径无关。粉末氧含量与粒子直径决
定的粒子比表面积的大小有依存关系。
4低成本钛合金粉的开发
增材制造技术实用化的一个课题就是粉末价格。原因是为了制作高质量的粉末增材制造制品，各增材制造装置制造厂都对使用的粉末有严格限定。但是，目前较高的价格水平给工业生产带来压力。
为此开发出制作低成本钛合金粉末的预混合雾化法（图3）。该方法将中间合金混合在原料钛中，用压力机将混合料压制成块并将压制块焊接成圆棒原料，然后进行气体雾化。传统的钛合金粉末制作方法是以钛合金圆棒为原料进行气体雾化的预合金雾化法。新开发方法比传统方法降低了圆棒原料的成本。而且已经确认，对预混合雾化法粉末成形品进行MIM的真空烧结热扩散，可使粉末成分均匀化为Ti-6Al-4V合金成分。
对预合金雾化法和预混合雾化法制作的Ti-6Al-4V合金粉末可否用电子束熔炼（EBM）增材制造装置（Arcam A2X）进行成形的问题进行了试验考察。实验用粉末是TILOP64-105（粒度范围：45-105μm）。从成形品和成形后的HIP处理品中切取拉伸试样，测定抗拉强度和伸长率。测定结果如图4。预合金雾化法和预混合雾化法制成的粉末制品抗拉强度和伸长率没有显著差别，并且都超过了Ti-6Al-4V合金铸造材（ASTM F1108）和锻造材（ASTM F1472）的抗拉强度和伸长率的标准规定值。这个试验结果证明，可用EBM增材制造装置对预混合雾化法的粉末进行成形加工。但另一方面，预混合雾化法粉末很难用于Ti-6Al-4V合金粉末标准化的用途。所以，今后应开发预混合雾化法粉末的新用途。
5结语
本文对IAP法制作的增材制造用Ti-6Al-4V合金粉末开发情况进行了简要介绍。可以预计，今后将不断加快增材制造技术的发展。钛粉末制造厂为促进新型钛合金部件的实用化，应不断进行高质量低成本的钛合金粉末的开发。 （高宏适）
