钛合金在高温下具有很高的化学反应活性，因此在激光熔覆沉积 (LMD) 过程中，严格的环境控制是关键要求。您必须维持高纯度氩气氛围，并将氧含量严格控制在 50 ppm 以下，以防止材料与氧气和氮气发生反应。未能维持这种环境会导致立即氧化，从而损害材料的纯度和结构完整性。
高纯度氩气环境的主要功能是保护钛熔池免受大气污染。将氧含量上限设定为 50 ppm，即可防止形成脆性氧化物，确保延展性并促进沉积层之间的牢固冶金结合。
污染的化学原理
高温反应活性
钛以其对氧和氮的亲和力而闻名。在 LMD 过程中，当钛合金加热到熔点时，它们很容易与这些大气体发生反应。
没有保护屏障，金属会迅速吸收这些元素。这种反应会从根本上改变合金的化学成分，导致形成氧化物和氮化物，从而降低材料的预期性能。
50 ppm 阈值
为减轻这种风险，加工腔需要高纯度氩气氛围。
主要参考资料明确指出，将氧含量控制在50 ppm 以下至关重要。这个特定的阈值是有效抑制氧化并保持钛合金原有纯度所必需的界限。
对结构完整性的影响
确保层附着力
LMD 是一种逐层增材制造工艺。构建的成功完全取决于新沉积材料与前一层之间的融合。
如果发生氧化，会在固化金属表面形成一层氧化物。这层氧化物充当屏障，阻止下一层熔融钛有效润湿和结合到基材上。严格的氩气控制可确保这些氧化物屏障不会形成，从而保证牢固的层间结合。
防止杂质缺陷
氧化作用不仅影响表面；它会在本体材料中引入杂质缺陷。
这些夹杂物会充当应力集中点，导致零件过早失效。通过维持纯净的氩气环境，您可以避免这些微观结构缺陷，确保最终部件均匀可靠。
理解权衡
工艺时间和纯度
达到这种纯度水平并非一蹴而就。在熔化开始之前，必须对腔体进行多次吹扫，以消除残留的空气和湿气。
为了节省时间而急于进行吹扫阶段是常见的陷阱。如果在气氛完全稳定到 50 ppm 以下之前开始熔化，初始层就会受到损害，可能会毁掉整个构建。
冷却期间的保护
保护的需要不仅限于熔化阶段。即使在凝固和冷却过程中，材料仍然具有反应性。
正如关于活性金属的补充资料中所述，保护性气体流通常必须保持，直到部件显著冷却（例如，低于 200°C 甚至 120°C）。过早中断氩气流会将热金属暴露在空气中，导致表面氧化和“α 相”形成，这需要昂贵的后处理才能去除。
为您的项目做出正确选择
为了最大化您的钛 LMD 部件的质量，请根据您的具体工程目标调整您的环境控制：
- 如果您的主要重点是结构耐久性：必须严格遵守低于 50 ppm 的氧含量限制，以防止形成氧化物夹杂物，这些夹杂物会在金属中形成薄弱点。
- 如果您的主要重点是材料延展性：确保氩气保护贯穿冷却阶段，以防止因间隙元素吸收引起的表面脆化。
将氩气环境视为关键工艺参数而不是次要辅助设备，可以确保您的钛部件的完整性。
总结表：
| 因素 | 要求 | 失效影响 |
|---|---|---|
| 气氛 | 高纯度氩气 | 化学污染和合金变质 |
| 氧含量限制 | < 50 ppm | 脆性氧化物和氮化物的形成 |
| 层结合 | 无氧化物表面 | 润湿不良和冶金结合薄弱 |
| 冷却阶段 | 保护至 < 120-200°C | “α 相”形成和表面脆化 |
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图解指南
参考文献
- Jianhua Sun, Zhonggang Sun. Ti6Al4V-0.72H on the Establishment of Flow Behavior and the Analysis of Hot Processing Maps. DOI: 10.3390/cryst14040345
本文还参考了以下技术资料 Kintek Furnace 知识库 .
