在商业纯钛 (CP-Ti) 的加工过程中，强制要求进行高纯氩气保护，因为金属在高温下会变得极易发生化学反应。没有这种保护，钛会迅速从周围大气中吸收间隙元素，特别是氧和氮。氩气系统充当关键屏障，有效地隔离加热的金属，防止这种大气污染。
通过在熔池或加工室周围建立惰性气氛，氩气系统可防止影响钛机械结构的空气污染。这种控制对于限制氧气吸收并确保最终组件保持必要的延展性至关重要。
污染的化学原理
钛的热反应性
钛及其合金在加热时对其环境高度敏感。在热处理或增材制造所需的高温下，金属在空气中会失去化学稳定性。它会积极地与大气中存在的元素结合。
间隙元素的问题
大气中的主要威胁是氧和氮。这些被称为“间隙元素”，因为它们会填充钛晶格内的空间（间隙）。当钛处于高温时，它会轻易吸收这些元素，从而改变其内部结构。
氩气屏蔽的功能
创造惰性环境
保护系统的目标是用惰性气体取代活性空气。将高纯氩气泵入加工室或局部导向工作区域。这建立了一个无法发生化学反应的清洁气氛。
保护熔池
在激光热丝 (LHW) 等增材制造工艺中，“熔池”是金属处于液态且最脆弱的地方。氩气系统必须专门针对该区域。通过屏蔽熔池，系统可确保凝固的材料是纯钛，而不是受污染的氧化物。
理解权衡：延展性与污染
氧气吸收的后果
加工 CP-Ti 时最重要的权衡是大气暴露与延展性。即使少量吸收的氧气也会起到硬化剂的作用。虽然这会增加强度，但会严重降低延展性，使零件变脆并容易发生故障。
无法进行后处理修复
一旦在熔化或热处理循环过程中吸收了氧等间隙元素，就无法轻易将其去除。对材料机械性能的损害是永久性的。因此，在加工过程中氩气屏蔽的完整性是质量控制中最重要的因素。
确保材料完整性
要成功加工 CP-Ti，您必须将气氛控制置于几乎所有其他工艺变量之上。
- 如果您的主要关注点是组件延展性：您必须严格尽量减少氧气吸收，因为任何污染都会直接降低材料在不破裂的情况下变形的能力。
- 如果您的主要关注点是工艺一致性：您必须确保氩气系统在整个加工过程中在整个熔池或加热区域保持稳定、惰性的环境。
强大的氩气保护系统不仅仅是一项安全措施；它是生产可用钛组件的基本要求。
总结表：
| 因素 | 气氛（空气）的影响 | 氩气保护的影响 |
|---|---|---|
| 化学反应性 | 高：与氧/氮结合 | 低：保持惰性环境 |
| 材料结构 | 发生间隙污染 | 晶格保持纯净 |
| 机械性能 | 脆性增加/延展性降低 | 保持高延展性和韧性 |
| 熔池完整性 | 形成脆性氧化物/氮化物 | 确保清洁凝固 |
| 结果 | 永久性材料降级 | 一致的高质量组件 |
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参考文献
- Hannah Sims, John J. Lewandowski. The Use of DSC and Independent Oxygen Analyses to Correlate the β Transus Temperature in CP-Ti Grade 2 Materials Processed via Different Techniques. DOI: 10.1007/s11661-025-07922-1
本文还参考了以下技术资料 Kintek Furnace 知识库 .
