喷雾造粒制备低成本增材制造用球形钛粉

成果简介： 钛基合金材料因其独特且优异的性能组合，被广泛应用于各个领域。通过开发钛基复合材料（TMCs），可进一步提高常规钛合金的硬度、强度和耐磨性等性能。选区激光熔化技术（SLM）为高效制造复杂形状的钛基复合材料零件提供了优越的平台。然而，目前适配SLM技术的钛基合金球形粉末价格昂贵（以≤53μm粒径的Ti-6Al-4V粉末为例，气雾化粉末价格普遍高于150万元/吨）。另一方面，钛基复合材料适配SLM技术的球形粉末制造难度较大，且TMCs增材制造的加工复杂性，导致该领域的研究相对较少。因此，开发一种低成本制备适配SLM制备技术的钛基合金及钛基复合材料粉体，对于推动钛基合金及其复合材料增材制造技术的发展具有重要意义。

为此，我们利用喷雾干燥造粒技术，设计了全新的“球磨混粉-喷雾造粒-阶段热处理”制粉工艺，旨在生产适用于SLM工艺的低成本、高性能、高球形度、无缺陷的复合材料粉末。该技术采用喷雾干燥方式，基于超细颗粒TiH2粉末，添加不同量的超细增强相粉末，与粘结剂混合，经过喷雾、干燥以及阶段热处理，经过脱脂、脱氢以及预烧结阶段，进行近球形钛基复合材料粉末的制备。

在此基础上，选用TiB2/Ti复合材料体系制备复合材料粉末，优化SLM工艺参数，探讨粉末特性、工艺参数、成形件微观组织和性能之间的耦合关系，为大规模工业SLM制备TMCs复合材料提供理论支撑。

推广应用情况： 本技术所制备的喷雾造粒球形TiB2/Ti复合材料粉末目前已供应攀钢技术研究院以及商飞集团增材制造中心，应用于航空航天非承力SLM制件的研发。

技术优势： 本技术的优势在于低成本化和具有工程化意义。通过本技术，不仅可以实现适配SLM钛基合金粉末的低成本化，还可以满足适配SLM技术的钛基复合材料粉末制备需求。所制备的钛基合金粉末可应用于航空航天领域、汽车工业等领域。通过调控成形粒度，本技术还可适用于钛基合金以及钛基复合材料注射成形粉末的制备，可促进钛粉末冶金技术的发展。

性能指标： 本技术所制备的喷雾造粒球形TiB2/Ti复合材料粉末流动性达到48s/50g，适配选区激光熔化技术。

市场分析： 喷雾造粒的方法可以有效制备钛基复合材料，可进一步推动钛基复合材料适配增材制造技术。该技术适用于航空航天、汽车工业等领域。目前钛基复合材料粉末的制备较为困难，本技术有望成为制备适配增材制造技术复合材料粉末的广泛应用方法。

经济效益分析： 本技术所制备的纯钛粉末，成本可以达到340元/公斤，相比雾化法制备的球形粉末（约1200元/公斤），成本降低70%以上。其产量可以达到50公斤/小时，具有工程化意义。

成果亮点： 本成果已申请国家专利一项，北京科技大学具有自主知识产权。本项目所提出的喷雾造粒法制备球形钛基复合材料粉末的方法，目前国内外研究较少，具有一定的创新性。

成果简介：

钛基合金材料由于其独特且优异的性能组合而广泛用于各个领域。通过开发钛基复合材料（TMCs），可以进一步提高常规钛合金的硬度，强度和耐磨性等性能。选区激光熔化技术（SLM）为高效制造复杂形状的钛基复合材料零件提供了优异的平台。但是目前适配 SLM 技术的钛基合金球形粉末价格高昂（以≤53μm粒径的 Ti-6Al-4V 粉末为例，气雾化粉末价格普遍高于 150 万元/吨）。另一方面，钛基复合材料适配 SLM 技术的球形粉末制造难度较大，且 TMCs 增材制造的加工复杂性，对这一领域的研究还较少。因此，开发一种低成本制备适配 SLM 制备技术的钛基合金及钛基复合材料粉体，对于促进钛基合金及其复合材料增材制造技术发展具有重要的意义。

为此，我们利用喷雾干燥造粒技术，设计了全新的“球磨混粉-喷雾造粒-阶段热处理”制粉工艺，旨在生产适用于 SLM 工艺的低成本、高性能、高球形度、无缺陷的复合材料粉末。该技术是利用喷雾干燥的方式，基于超细颗粒 TiH2 粉末，添加不同量的超细增强相粉末，与粘结剂混合，经过喷雾、干燥以及阶段热处理，经过脱脂、脱氢以及预烧结阶段，进行近球形钛基复合材料粉末制备。在此基础上，选用 TiB2/Ti 复合材料体系制备复合材料粉末，优化 SLM 工艺参数，探讨粉末特性-工艺参数-成形件微观组织和性能之间的耦合关系，为大规模工业 SLM 制 备 TMCs 复合材料提供理论支撑。

推广应用情况：

本技术所制备的喷雾造粒球形 TiB2/Ti 复合材料粉末目前已供应攀钢技术研究院以及商飞集团增材制造中心，应用于航空航天非承力 SLM制件的研发。

技术优势：

本技术的优势在于低成本化以及具有工程化意义，经过本技术，不仅可以实现适配 SLM 钛基合金粉末低成本化，还可以满足适配 SLM 技术的钛基复合材料粉末制备。所制备的钛基合金粉末，可应用于航空航天领域、汽车工业等领域。

通过调控成形粒度，本技术还可适用于钛基合金以及钛基复合材料注射成形粉末的制备，可促进钛粉末冶金技术的发展。

性能指标：

本技术所制备的雾造粒球形 TiB2/Ti 复合材料粉末流动性达到 48s/50g，适配选区激光熔化技术。

市场分析：

喷雾造粒的方法，可以有效制备钛基复合材料，可进一步钛基复合材料适配增材制造技术。该技术可适用于航空航天、汽车工业等领域。目前钛基复合材料粉末的制备较为困难，本技术有望成为制备适配增材制造技术复合材料粉末广泛应用的方法。

经济效益分析：

本技术所制备的纯钛粉末，成本可以达到 340 元/公斤，相比雾化法制备的球形粉末（约 1200 元/公斤），成本降低 70%以上。其产量可以达到 50 公斤/小时，具有工程化意义。

成果亮点：

本成果已申请国家专利一项，北京科技大学具有自主知识产权。本项目所提出的喷雾造粒法制备球形钛基复合材料粉末的方法，目前国内外研究较少，具有一定的创新性。