Titomic利用热等静压技术提高增材制造钛部件的材料性能

2023年8月29日，南极熊获悉，先进制造公司 Titomic正在利用热等静压 (HIPing)技术帮助澳大利亚核科学技术组织 (ANSTO)改善增材制造钛部件的材料性能。ANSTO 通过引入 HIP 技术来支持其创新的废物处理工艺——ANSTO Synroc。

ANSTO Synroc Technologies 技术总监 Gerry Triani 说道：“ANSTO 在 HIP 领域拥有 30 多年的运营专业知识，并管理着澳大利亚最大的 HIPing 设施。我们的能力包括在热处理过程之前和之后对材料的性能进行鉴定和表征，这对于制造业来说是一项非常有用的能力。”

Titomic 使用商业纯钛作为粉末原料，而不是钛合金粉末，用于极端环境（例如航空航天部件）的近净形状产品的增材制造。

  

资料来源：ANSTO

热等静压是一种通过减少孔隙率和细化微观结构来改善材料性能的制造工艺。它涉及在高温下对材料施加惰性气体压力，以消除制造部件的闭孔。

钛具有高强度重量比、良好的机械性能和优异的耐腐蚀性，但难以加工成工程材料。纯钛原材料比钛铝合金粉末便宜得多，后者是通过气雾化法生产的，通常呈球形。

前航空航天工程师、Titomic现任高级技术专家Neil Matthews AM说道：“钛是一种非常活泼的材料，也是受其他元素影响最严重的材料之一，它对氧气的影响特别敏感。我们一直在研究使用后处理和热等静压处理，将钛零件的孔隙率降低到百分之一以下，这与传统生产的钛铝合金的标准相当。”

热等静压处理前（左）和热等静压处理后（右）的冷喷涂钛样品。

增材制造钛部件的主要问题是作为层状沉积堆积的一部分而产生的孔隙/空隙的形成。在高负载下，这些空隙会损害延展性（拉伸或弯曲的能力），进而导致灾难性的断裂模式。空隙的存在也会影响零件在循环载荷下的耐用性。Matthews说：“我们着眼于增材制造过程中所有参数、颗粒尺寸、颗粒速度以及后续机械行为的优化。”

他还表示：“在冷喷涂中使用不规则形状而不是球形的颗粒可以提高构建速度并减少空隙。因此，必须针对这些材料的工作条件来解决孔隙率问题。空隙的存在增加了多个裂纹萌生的可能性，这些裂纹可能结合在一起使零件变脆，从而损害结构完整性。我们提供的钛零件或维修件必须具有与传统金属生产热处理工艺生产的零件相同的水平。我们的目标是生产一种具有良好机械性能的材料，非常接近排名最高的钛合金（例如 Ti64）所提供的标准。”

ANSTO增材制造钛部件的热等静压处理过程中是在氩气气氛中进行的，并对材料施加了最高可达200MPa 的压力。

Matthews 拥有增材制造工艺相关验收和认证方面的专业知识，他表示：“在 Titomic 优化冷喷涂增材制造工艺以提供最大沉积效率和最大粘合强度之后，我们应用热处理来重新排列晶粒并改善微观结构，然后作为后处理步骤进行 HIPing 以增加密度。了解后处理方法背后的科学问题对于行业监管机构和客户来说非常重要。我们需要 ANSTO 材料科学家等专家来选择参数，包括 HIPing 的温度、压力以及等温保持时间。”

增材制造中的孔隙生成和应力诱导开裂问题也可以采用增材制造领域内的其他后处理技术来解决。