球形钛铝粉末.docx
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球形钛铝粉末
球形钛铝粉末
编制说明
（讨论稿）
《球形钛铝粉末》
行业标准讨论稿编制说明
一、工作简况
1.1任务来源
根据《工业和信息化部办公厅关于印发2016年第三批行业标准制修订计划的通知》（工信厅科[2016]58号）的文件精神，西安赛隆金属材料有限责任公司负责制订有色金属行业标准《球形钛铝粉末》，该项目计划编号为：
2016-0204T-YS。
按计划要求，本标准应在2018年完成。
1.2产品概况钛铝基合金材料由于比重低，模量高，且具有优良的高温强度、抗蠕变、抗氧化和阻燃性能，因而在航空航天发动机、超高速飞行器、火箭推进系统等高温结构材料领域具有较大的应用前景。
高品质的球形钛铝粉末是制备粉末冶金钛铝基合金材料的重要原料，采用球形钛铝粉末以热等静压或增材制造工艺制备的钛铝材料晶粒细小，组织成分均匀，可有效解决传统铸造钛铝材料结晶组织粗大，内部易形成疏松和成分偏析的弊端。
此外采用球形钛铝粉末为原料，可以通过热等静压或增材制造工艺得到近净成形的目标零件，从而大幅降低后续目标钛铝构件的加工量和加工时间，促进钛铝构件的广泛应用。
1.3起草单位情况及主要工作过程
1.3.1起草单位情况
西安赛隆金属材料有限责任公司（后简称“公司”）成立于2013年，是由西北有色金属研究院（后简称“研究院”）发起并控股，依托金属多孔材料国家重点实验室创新平台，以重点实验室在高品质金属粉末和电子束选区熔化成形增材制造相关领域十余年的研发成果为基础成立的科技型企业。
公司专业从事商业化粉末床电子束3D打印（SEBM）技术与装备、等离子旋转电极雾化制粉（PREP）技术与装备的研发、生产、销售和技术服务。
公司成立以来，在国内首次推出了满足科研的S型和满足医疗产品制造的Y型国产商业化粉床电子束3D打印设备；研制并销售了多套商业化等离子旋转电极雾化制粉设备，最高转速可达到20000r/min；研发了100余种3D打印复杂金属构件，其中300余件椎间融合器和关节在临床上获得了成功应用；在高品质球形粉末的生产制备方面，公司除开展TA7、TA15、TC4、TC11等常规钛合金粉末生产外，还组织研发了TiAl、TiNbZr、Ti2AlNb、TiNi、TiTa等20余种特殊牌号满足增材制造用高品质球形金属粉末。
目前公司已经具备年产100吨金属粉末、20台套设备、上万件3D打印件的生产能力。
公司依托金属多孔材料国家重点实验室的平台优势，建立了金属3D打印联合创新中心，先后承担“工业强基工程项目”、“中小企业创新基金”、“国家重点研发计划项目”等20余项国家和省市科研项目，在3D打印方面申请专利30余项，牵头制定3D打印国家和行业标准4项。
公司是中国增材制造产业联盟理事单位、全国增材制造标准化技术委员会委员单位和中国机械工程学会增材制造分会委员单位。
西北院是我国从事稀有金属材料研究与生产的骨干单位，钛及钛合金的研制与开发是其主要研究领域之一，具有从事钛粉及钛粉末冶金制品科研生产的经验，从上世纪70年代始就对钛、锆、铪等金属粉末的制备进行了系统的研究与开发，掌握了独特的生产加工技术，拥有自主开发的知识产权。
为了获得高质量的钛及钛合金粉末，先后开发了高质量氢化脱氢技术、等离子旋转电极制粉技术、气雾化制粉技术和设备，起草了钛及钛合金粉末的相关产品及测试国家和行业标准，生产的钛粉在成分和性能上居国内领先水平。
近年来，西北院还先后承担国家863、973、科技
支撑、自然基金面上、国际合作等项目的研究工作，在钛及钛合金粉末及其制品的制备、应用研究与开发以及测试表征等方面取得多项研究成果，在高品质钛及钛合金粉末的研发、生产以及测试表征等方面处于国内领先水平。
许多成果获得国家奖励，包括1项全国科技大会奖，2项国家技术进步二等奖和十余项省部级一、二等奖，拥有一百多项专利，发表论文400余篇，制定了相关材料标准和检测标准十余项，先后出版了5部材料专著，在我国乃至国际粉末冶金领域具有举足轻重的地位。
1.3.2主要工作过程
根据任务落实会议精神，西安赛隆金属材料有限责任公司接到项目下达的任务后，立即组织成立了标准编制工作组，对目标任务进行了分解，明确了成员的任务要求，制定了工作计划和进度安排。
项目运行以来，工作组通过各种渠道收集国内外球形钛铝粉末的需求和使用情况信息。
查阅了大量球形钛铝粉末的生产、检验数据，并进行了汇总、分析；对国内部分从事钛铝粉末材料制造研发以及生产单位进行了调研，了解其工艺、产能、规格及质量控制水平等基本情况；对国外公司供应的球形钛铝粉末进行检测分析，结果汇总。
结合调研情况和公司近年来在球形钛铝粉末的制造生产经验，以公司现有相关质量文件为基础，于2018年3月编制并形成了标准草稿，经过多次内部讨论分析，对草稿进行了修改和完善，于2018年6月形成行业标准讨论稿。
2018年7月26日至7月27日，在黑龙江省哈尔滨市进行了标准讨论会，来自有色金属技术经济研究院、西北有色金属研究院、飞而康快速制造科技有限责任公司、自贡硬质合金有限责任公司、九江有色金属冶炼有限公司、崇义章源钨业股份有限公司、株洲硬质合金集团有限公司、广东省材料与加工研究所、西部宝德科技股份有限公司、攀钢集团有限公司等11家单位共18位代表对本标准的讨论稿进行了认真讨论，编制小组根据参会专家意见对标准进行了修改，并按照讨论意见形成了本标准的征求意见汇总处理表和预审稿。
汇总意见及意见处理情况见下表1：
表1
序号
对应章节号
意见内容
提出单位
处理意见
备注
1.
2
增加标准引用文件：
YS/T
XXXX-XXXX钛及钛合金粉末球形率测定方法
有色金属技术经济
研究院
采纳
2.
2
对GB/T19077.1粒度分析激光衍射法具体名称和内容进行审核确认
崇义章源钨业股份
有限公司
采纳
3.
3
增加3.1牌号，对钛铝合金的牌号进行说明
有色金属技术经济
研究院
采纳
4.
3.1
化学成分中Ti含量应注明为“余量”
飞而康快速制造科
技有限责任公司
采纳
5.
3.2
表2的产品分类更改为竖式表格，对粉末的中位径的表达方式进行审核确认，Ⅰ类和Ⅲ类粉末的粒度范围的上限值更改为0
有色金属技术经济
研究院
采纳
6.
3.6
外观质量和形貌要求变更为：
3.5球形率和3.6外观质量两项要求
有色金属技术经济
研究院
采纳
7.
4.6
“外观质量采用目视法和显微镜法进行”应更改为“球形率按YS/TXXXX-XXXX进行，外观质量采用目视法进行。
”
西北有色金属研究院
采纳
3
8.
5.3
增加检测项目：
球形率
有色金属技术经济
研究院
采纳
9.
7.2
“采取充惰性气体保护封装”更改为“采取充氩气保护封装”
自贡硬质合金有限
责任公司
采纳
10.
无
九江有色金属冶炼有限公司
11.
无
株洲硬质合金集团
有限公司
12.
无
广东省材料与加工
研究所
13.
无
西部宝德科技股份
有限公司
14.
无
攀钢集团有限公司
二、标准编制原则和确定主要内容的论据
2.1标准编制原则
1）该标准按照GB/T1.1-2009《标准化工作导则第1部分：
标准的结构和编写规则》制定。
2）遵循满足市场需求、技术内容合理、检测方法可行的原则，既能够反映国内各生产企业的技术水平，便于生产，又提高可操作性，便于应用。
2.2确定标准主要内容的论据
2.2.1化学成分
本标准选择目前研究开发成熟，且获得广泛应用的，由GE公司开发的Ti48Al2Nb2Cr（at.%）和由北京科技大学陈国良院士团队开发的高温钛铝—Ti45Al8Nb（at.%）的球形粉末为标的对象，规定了两类钛铝粉末的化学成分。
在以球形钛铝粉末为原料，采用粉末冶金工艺进行钛铝材料的制备过程中，主要元素的含量不会发生明显变化，但包括氧、氮、氢等在内的杂质元素含量会有一定的波动，尤其是氧含量，在粉末冶金工艺过程中的不当控制会导致钛铝材料氧含量增加，降低材料力学性能。
为确保粉末冶金工艺制备的钛铝材料达到产品设计要求，本标准规定了球形钛铝合金粉末的化学成分，见表2。
表2
牌号
化学成分（质量百分比，wt.%）
Ti
Al
Cr
Nb
杂质含量，不大于
Fe
C
O
N
H
Ti-48Al-2Cr-2Nb
余量
32.0～34.0
2.2～2.6
4.5～5.1
0.10
0.025
0.12
0.02
0.003
Ti-45Al-8Nb
余量
28.0～29.5
/
17.0～17.8
0.10
0.025
0.12
0.02
0.003
注：
产品的化学成分可根据用户的特殊要求进行调整。
2.2.2物理性能和工艺性能球形钛铝粉末可以通过热等静压或增材制造工艺实现致密化钛铝合金材料的制备。
不同的致密化成形工艺对粉末的粒度有不同的要求，而且粉末的松装密度、振实密度、流动性等工艺参数会影响致密化成形过程，并且也会对最终致密化成形坯体的显微组织、力学性能、尺寸精度、表面质量等产生影响。
因此，本标准规定了判定球形钛铝粉末的关键物理性能和工艺性能参数要求:
粒度、松装密度、振实密度流动性、球形率等。
（1）粒度球形钛铝粉末主要采用等离子旋转电极法和气体雾化法制备，不同工艺所制备的钛铝粉末的粒度区间有差别，但可通过筛分进行粒度级配。
球形钛铝粉末目前主要有3个主要应用领域。
适用于粉末床激光增材制造领域的第Ⅰ类，粒度范围为0μm～63μm，D50为25～45μm；适用于粉末床电子束增材制造领域的第Ⅱ类，粒度范围为45μm～105μm，D50为63～105μm；适用于传统粉末冶金领域的第Ⅲ类，粒度范围为0μm～180μm，D50为45～105μm。
（2）松装密度松装密度是粉末在单位体积容器内自然松装时的质量，松装密度随颗粒尺寸的减小、颗粒非球状系数的增大以及表面粗糙度的增加而减小，可以反映出粉末的颗粒形状、颗粒密度和表面状态、粉末的粒度及粒度分布等。
不利于粉末冶金工艺得到致密化坯体的钛铝粉末的松装密度一般小于2.0g/cm3，为了确保粉末热等静压工艺及增材制造工艺能够制备出完全致密的钛铝材料，根据有关厂家批次产品松装密度指标统计，见表3。
本标准规定球形钛铝粉末的松装密度应不小于2.0g/cm3。
表3
分
类
粒度范围/μm
牌号
松装密度/g?
cm-3
赛隆公司（3批次粉末平均值）
西北院（3批次粉末平均值）
Ⅰ
0～63
Ti-48Al-2Cr-2Nb
2.27
2.10
类
Ti-45Al-8Nb
2.36
Ⅱ
45～
Ti-48Al-2Cr-2Nb
2.36
2.19
类
150
Ti-45Al-8Nb
2.48
Ⅲ
0～
Ti-48Al-2Cr-2Nb
2.39
2.28
类
180
Ti-45Al-8Nb
2.55
（3）振实密度振实密度是在规定条件下容器中的粉末经振实后所测得的单位容积的质量，振实密度相对于松装密度主要是粉末多种物理性能和工艺性能的综合体现，如：
粉末粒度及其分布、颗粒形状及其表面粗糙度、比表面积等。
粒度级配合理，粉末流动性越好则粉末的振实密度越大。
结合实际粉末冶金热等静压及增材制造工艺要求，根据有关厂家批次产品振实密度指标统计，见表4，本标准规定球形钛铝粉末的振
实密度应不小于2.3g/cm3。
表4
分
类
粒度范围/μm
牌号
振实密度/g?
cm-3
赛隆公司（3批次粉末平均值）
西北院（3批次粉末平均值）
Ⅰ
0～63
Ti-48Al-2Cr-2Nb
2.44
2.51
类
Ti-45Al-8Nb
2.49
Ⅱ
45～
Ti-48Al-2Cr-2Nb
2.51
2.56
类
150
Ti-45Al-8Nb
2.58
Ⅲ
0～
Ti-48Al-2Cr-2Nb
2.59
2.61
类
180
Ti-45Al-8Nb
2.67
（4）流动性流动性是指以一定量粉末流过规定孔径的标准漏斗所需要的时间，通常采用的
单位为s/50g，其数值愈小说明该粉末的流动性愈好，它是粉末的一种工艺性能，
主要指粉末流动的难易程度。
通常球形颗粒的粉末流动性最好，而颗粒形状不规则、尺寸小、表面粗糙的粉末，其流动性差。
另外，粉末流动性受颗粒间粘附作用的影响，颗粒表面如果吸附水分、气体会降低粉末的流动性。
流动性会直接影响粉末填充热等静压金属包套内粉末坯的均匀性和密实性，影响粉末床增材制造过程中粉末铺展的均匀性，流动性差的粉末可能导致增材制造过程无法完成。
因此，粉末流动性是钛铝材料致密化工艺中必须明确的重要性能。
本标准结合实际生产工艺需求，并根据有关厂家批次产品松装密度指标统计，见表5，规定钛铝合金粉末的流
动性应在20s/50g～40s/50g。
表5
分
类
粒度范围/μm
牌号
流动性/s/50g
赛隆公司（3批次粉末平均值）
西北院（3批次粉末平均值）
Ⅰ
0～63
Ti-48Al-2Cr-2Nb
33.2
38.2
类
Ti-45Al-8Nb
30.2
Ⅱ
45～
Ti-48Al-2Cr-2Nb
31.0
32.6
类
150
Ti-45Al-8Nb
28.6
Ⅲ
0～
Ti-48Al-2Cr-2Nb
29.8
30.8
类
180
Ti-45Al-8Nb
27.8
2.2.3球形率钛铝粉末的球形率直接反映出粉末非球形或球形特质，并显著影响粉末的流动性及振实密度。
西安赛隆金属材料有限责任公司三批次的不同粒度区间的Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末及Ti-45Al-8Nb粉末的球形率在90-95%之间，西北有色金属研究院提供其Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末不同粒度类别的粉末的球形率在86%-91%。
根据其球形率性能数据，确定其产品的球形率应不小于85%。
2.2.4外观质量钛铝粉末的外观质量可以直直观反映出粉末品质，以及是否因保存不当导致受
潮或其他杂物的污染。
本标准规定钛铝粉末呈均匀银灰色，无肉眼可见杂质；
2.2.4标志、包装、运输、贮存
球形钛铝粉末，尤其是小于45μm的细粒径钛铝粉末在包装、运输和贮存过程中容易吸附空气中的氧、氮等气体元素而使性能变差，且易吸附水汽而受潮，此外钛铝合金粉末会因碰撞、挤压等原因发生起火、爆炸。
所以本标准规定：
（1）标志在产品的包装袋/桶上应做如下标志（或贴标签）：
a）供方名称；
b）产品名称；
c）材料牌号；
d）生产批号；
e）粒度规格；
f）净重、毛重；
g）包装日期；
h）本标准编号；
i）在产品包装或明显的地方需加上“易燃”防“潮”、“向上”标识。
（2）包装产品应以洁净的金属瓶、塑料瓶、塑料袋等为容器单元，采取充氩气保护封装或者真空包装，包装过程中应严格控制环境避免污染。
包装容器应保证其在运输过程中的完整性，不易破损、受潮或者使产品接触到外来污染物质。
（3）运输产品应在有遮盖物的环境下进行运输，运输过程应防止雨淋受潮、严禁剧烈碰撞和机械挤压，搬运过程应轻装轻卸、切勿倒置，严禁接近火种及火源。
（4）贮存产品应贮存在通风、干燥、阴凉、无腐蚀性侵蚀的环境中，严禁与氧化剂、酸类、碱类一起存放，并避免阳光直晒，并且定期检查，对于包装破损或包装状态发生改变有可能影响粉末性能的情况进行及时处理。
三、标准水平分析
3.1采用国际标准和国外先进标准的程度经查，国外无针对球形钛铝粉末的标准。
3.2与国际标准及国外同类标准水平的对比经查，国外无相同类型的标准，无法对比。
本标准对钛铝粉末产品化学成分、松装密度、振实密度、流动性以及外观质量的要求均依据实际工业生产水平，参考了已成熟稳定实施的企业标准和技术协议，
3.3与现有标准及制定中的标准协调配套情况本标准的制订与现有的标准及制订中的标准协调配套，无重复交叉现象。
3.4涉及国内外专利及处置情况经查，本标准没有涉及国内外专利
四、与有关的现行法律、法规和强制性国家标准的关系本标准与有关的现行法律、法规和强制性国家标准具有一致性，无冲突之处。
五、重大分歧意见的处理经过和依据
无。
六、标准作为强制性或推荐性国家（或行业）标准的建议本标准建议作为推荐性行业标准。
七、贯彻标准的要求和措施建议
无。
八、废止现行有关标准的建议
无。
九、其他应予以说明的事项
无。
十、预期效果
本标准实施后，我国各个工业领域对所需球形钛铝粉末的要求更加合理规范，这有利于提升粉末冶金钛铝材料各项性能指标，使我国钛铝材料的制备技术和整体性能达到国际先进水平，满足航空航天、超高速飞行器等领域的关键材料需求，并对推进高性能钛铝合金材料的发展和应用起到积极的促进作用。
可以积极向生产厂家及国内外用户推荐本标准。
西安赛隆金属材料有限责任公司
《球形钛铝粉末》标准编制组2018年8月10日
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