Ti-6242 | 一种用于关键任务应用的高性能3D打印钛合金

钛合金粉末以生产具有优异机械性能的零件而闻名，是当前价值最高、应用最广泛的3D打印金属材料之一，尤以Ti6Al4V最为知名，但在特定情况下最好能够有更多的选择。在3D打印技术参考往期文章中，介绍了能够具有代替Ti6Al4V的两种3D打印钛合金材料：Ti-5553和Ti-38644。本期将讨论的另一种适合高性能和高温应用的钛合金——Ti-6242（Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si），对应我国钛合金牌号TA19，该材料正在被GE Additive重点开发相关应用。

Ti-6242有何特别之处？能满足哪些要求？

Ti-6242具有重量轻和耐高温的特性，是一种传统技术难以生产的材料。GE Additive旗下粉末制造公司AP&C专注于反应性材料生产，尤其是钛粉，并且在粉末的制造和如何控制制造过程以生产高质量零件方面拥有行业领先的深入知识。通过控制粉末中的氧含量，生产高质量粉末，对于增材制造应用至关重要。

对于航空航天、军事、核工业以及赛车运动，是性能比成本更重要的受高度监管的行业。作为一种活性合金，Ti-6242与其他钛合金的主要区别在于该材料的机械性能能够满足高温和抗蠕变应用。

Ti-6242具有高机械强度、可焊性、高温稳定性和高达500-550°C的抗蠕变性。其他常见的钛合金，尤其是Ti6Al4V，工作温度通常为350°C，因此Ti-6242能够在更高温度下工作。

AP&C开发的Ti-6242粉末

AP&C开发的不同粒度范围的Ti-6242粉末

意大利3D打印服务商BEAMIT的研究也表明，通过L-PBF生产的Ti-6242在室温下屈服强度约为1000MPa，在550°C下仍保持在600MPa以上，这些性能与采用锻造技术生产的Ti-6242和IMI834（高温下性能最高的钛合金之一）相当。4.5g/cm3的密度使其同时兼具强度-重量比优势，Ti-6242成为所有需要良好机械强度和轻量化应用的有吸引力的解决方案。因此，Ti-6242是一种有效的钢和镍基高温合金的替代品。

GE Additive 3D打印的Ti-6242测试样

GE Additive 3D打印的Ti-6242主要性能参数

以上性能满足了受高度管制行业的某些客户的要求，例如商业和军事航空航天以及核能行业，这些行业的零件需要在极端环境下工作（如发动机），它们的功能对整体性能至关重要。当其他钛合金不适用时，Ti-6242提供了一种解决方案。

同时，Ti-6242是第一种获得AMS（美国宇航材料）规范的钛合金，专门用于增材制造应用，这一事实证明了工业界的兴趣。Ti-6242与具有相同粒度分布的其他钛合金相比，它具有更高的抗氧化性，使用的安全性更高，处理和加工更容易。

Ti-6242适用于哪些高温应用？

Ti-6242适用于制造对高温稳定性至关重要的轻量化部件，例如航空航天工业中的涡轮机部件、加力燃烧室结构、高压压缩机叶片和机身热端。一些冷端区域只需使用具有低温性能的钛合金，而热端区域将受益于Ti-6242提供的高温稳定性。

这些应用中的主要考虑因素是不同的应用需要不同的材料，因此根据工作温度需求选择合适的材料至关重要。

Ti-6242也是一种极具潜力的空间应用材料，其温度范围覆盖低温至500°C，在这些极端情况下，Ti-6242可以应对不同的温度变化。

航空航天面临的挑战总是试图在最高温度下以尽可能低的重量获得最高的机械性能。在温度较高的区域，通常使用镍高温合金，但这些合金的密度是Ti-6242的两倍。因此，改用Ti-6242可以减轻航空航天行业发动机的重量，同时仍能满足温度要求。这些特点同时适用于赛车行业应用，Ti-6242提供的轻量化有助于提高这些行业发动机的性能和燃油效率。

航空发动机的主要材料组成

但Ti-6242的3D打印具有挑战性，因为它容易因残余应力而开裂。3D打印的Ti-6242满足适合高速旋转的发动机中高温区设计，材料的疲劳特性至关重要。高度球形的粉末，将提高可加工性并有助于保持打印过程稳定，防止开裂。材料的疲劳特性对缺陷很敏感，在增材制造中减少缺陷的最佳策略之一是控制原材料。

此外，通过循环热处理工艺可以实现3D打印Ti-6242机械性能的调控。新加坡制造技术研究院毕贵军博士团队已将该研究发表于Advanced Power Materials，文章题目：Effect of cyclic heat treatment on the microstructure and mechanical properties of laser aided additive manufacturing Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo alloy。

毕贵军博士团队3D打印的Ti-6242合金的室温拉伸性能：（a）工程应力、工程应力曲线；（b）室温拉伸性能柱状图；（c）加工硬化曲线

该研究提出并验证了循环热处理工艺在激光辅助增材制造近α钛合金Ti-6242中制备球状α相的方法；阐明了α与β相之间的元素扩散是激光辅助增材制造Ti-6242合金中球状α相产生的驱动力；通过球状α相的生成调控了激光辅助增材制造Ti-6242合金的强度和伸长率，使其达到了锻件标准AMS 4919J要求 (屈服强度≥827 MPa，延伸率≥10%)。

END

航空航天领域的3D打印钛材料开发正在取得重大进展，Ti-6242是一种高性能材料，结合了高温稳定性和轻质特性，非常适合航空航天、军事和空间应用。

虽然钛合金加工时的切削力只是略高于同等硬度的钢，但是加工钛合金的物理现象比加工钢要复杂的多，从而使钛合金加工面临巨大的困难。在传统工艺加工存在较大困难的情况下，3D打印提供了一种有效的加工方式。