研究背景
TC4 钛合金因具备优异的力学性能、耐热性、抗氧化性及耐蚀性，在飞机机身、发动机部件、核反应堆构件等高端领域应用广泛。然而，传统加工方式存在成本高、效率低、难以制备复杂结构件的缺陷，限制了其应用拓展；现有基于高能束的增材制造技术（如激光熔覆）又面临成本高、打印效率低、残余应力突出等问题。
粘结剂喷射（Binder Jetting, BJ）3D 打印技术作为新型增材制造手段，通过室温下选择性喷射粘结剂粘结粉末床，结合后期烧结致密化，可实现钛合金零件的高效率、低成本制造，成为解决上述问题的关键方向。目前，国际上 Desktop Metal 采用该技术制备的 TC4 钛合金烧结致密度达 97.5%，ABDOLREZA S 等用 D₅₀=13.6μm 粉末烧结致密度达 96.4%，但国内相关研究仍处于发展阶段。
本研究针对 3 种不同粒径的 TC4 钛合金粉末，通过粘结剂喷射 3D 打印、固化与烧结工艺，系统探究粉末粒径对合金致密度及力学性能的影响，旨在确定最优粉末粒径范围，为该技术的工业化应用提供理论支撑与数据参考。
试验材料与方法
试验材料：使用3种不同粒径的TC4钛合金粉末，分别标记为TC4-1、TC4-2和TC4-3。化学成分（质量分数，%）：3 种粉末核心元素（Al：6.16%-6.25%，V：4.07%-4.12%）含量接近，杂质元素（Fe、C、O、N）控制在极低水平，余量为 Ti，具体数据见表 1。
表 1 3种TC4钛合金的粉末成分
图1 3种TC4钛合金粉末的微观形貌
试验设备：采用自制 M400Pro 粘结剂喷射金属 3D 打印机，打印层厚设为 40μm；打印完成后在 140℃条件下固化，获得 TC4 钛合金初坯（图 2a）。
试验方法：将初坯置于真空钼带炉中烧结，真空度≤8.0×10⁻³Pa，烧结温度 1200℃，保温 2h 后随炉冷却，得到烧结试样（图 2b）。
图2 3D打印的TC4钛合金初坯和烧结后的形貌
表2 3种TC4钛合金的粉末粒径分布、松装密度和振实密度
试验结果与分析
1、致密度变化规律：由表 3 可知，3 种试样初坯密度均介于松装密度与振实密度之间，且烧结致密度随粉末粒径减小显著提升：TC4-1（D₅₀=16.60μm）致密度 93.1%，TC4-2（D₅₀=12.60μm）95.6%，TC4-3（D₅₀=8.49μm）达 98.2%（最高）。
表3 3种TC4钛合金试样初坯和烧结后的密度
图3 3种TC4钛合金试样烧结后的孔隙形貌
2、粉末粒径对显微组织和力学性能的影响：
3 种试样烧结后显微组织均以均匀分布的等轴晶 α 相为主，含少量 β 相，孔隙主要分布于晶界（图 4），且粉末粒径越小，晶粒尺寸越细：
TC4-1（粗粉）：晶粒尺寸较大，晶界孔隙明显；
TC4-2（中粉）：晶粒细化，组织均匀性提升；
TC4-3（细粉）：晶粒最细，等轴晶特征更显著。
图4 3种TC4钛合金试样烧结后的金相组织
图5 3种TC4钛合金试样烧结后的拉伸应力-应变曲线
3、粉末粒径对力学性能的影响：
力学性能数据：由表 4 可知，3 种试样力学性能随粒径减小呈现 “强度 / 硬度上升、塑性先升后降” 的规律：TC4-1：抗拉强度 (866±11) MPa，伸长率 (6.4±0.5)%，硬度 (313±5) HV；
TC4-2：抗拉强度 (935±12) MPa，伸长率 (12.7±0.6)%，硬度 (341±4) HV（强塑性匹配最佳）；
TC4-3：抗拉强度 (1052±14) MPa，伸长率仅 (1.8±0.3)%，硬度 (424±4) HV（强度最高但塑性极差）。
表4 3种TC4钛合金烧结后的力学性能
图6 3种TC4钛合金粉末及其烧结后的O含量
4、 拉伸断口形貌观察：
TC4-1：断口仅含少量韧窝，呈 “准韧性断裂” 特征，对应较低伸长率；
TC4-2：断口布满直径 20-40μm 的等轴韧窝，为典型 “韧性断裂”，说明断裂前经历大量塑性变形；
TC4-3：断口无韧窝，呈 “沿晶脆性断裂” 特征，与极低伸长率一致。
图7 3种TC4钛合金试样烧结后的拉伸断口SEM形貌
主要结论
致密度规律：TC4 钛合金烧结致密度随粉末粒径减小而升高，当粉末 D₅₀=8.49μm（TC4-3）时，致密度达 98.2%（最高）。
显微组织特征：烧结后组织均为等轴晶 α 相 + 少量 β 相，孔隙分布于晶界；粉末粒径越小，晶粒尺寸越细。
最优粉末粒径：综合强塑性匹配，最佳粉末粒径为 TC4-2，其粒径分布为D10=6.45 μm，D50=12.60 μm，D90=22.10 μm，对应烧结后性能：抗拉强度 (935±12) MPa、伸长率 (12.7±0.6)%、硬度 (341±4) HV。
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