航空航天用鈦合金棒3D打印技術的研究概述

鈦及鈦合金具有比強度高、高溫力學性能和抗蠕變性能好、耐腐蝕性能好等優良的綜合性能，被認為是繼鋁材、鋼鐵之后處于發展中的“戰略金屬”和“第三金屬”[1-3]，在航空、航天、兵器、化工、船舶等行業受到廣泛重視[4-5]。

鈦合金由于具有優異的物理及化學性能，被認為是最適合制備成粉末的金屬材料，因此基于模型切片分層制造原理的激光三維打印（Three Dimensional Printing， 簡稱3D打印）技術成為一種直接制造鈦合金零件的新型技術。3D打印是基于離散-堆積原理，利用CAD軟件生成的三維實體模型，通過STL格式的分層軟件驅動模塊， 根據每個層的二維數據控制激光、等離子、電子束和電弧等作用于粉末、液體或絲材，加工出所需要形狀和尺寸的薄層，并逐層累積成實體模型的制造技術。3D打印 技術突破了傳統“減材制造”依賴多工序結合制造的方式，可快速精密地制造任意復雜形狀的零件，實現真正“自由制造”。近年來，世界各國對鈦合金3D打印技術 進行了大量研究，本文將對這些研究做一總結。

1、3D打印成形鈦合金構件缺陷分析　

3D打印技術制備鈦合金時，如果工藝參數選擇不當，工件容易出現氣孔、球化、熔合不良以及裂紋等缺陷。

1.1 氣孔缺陷

氣孔缺陷的形態主要有球形[6]、橢球形、類球形、長條形和針孔形，如圖1所示。氣孔缺陷對構件成形的致密度和力學性能等存在直接影響，大大降低實體構件的實用性能。

薛蕾[7]認為氣孔缺陷形成的原因是由水分引起的。如果粉末中含有水分，當水分受到激光加熱就會形成大量的氣體，離熔池表面比較近的部分會逸出來，但由于激光熔凝過程非常快，另外一部分氣體來不及逸出便被“包裹”在金屬中；另外由于粉末放置時也會吸附一些氣體，在激光熔凝過程中同樣會產生上述情況，形成氣孔。文藝[6]觀察了激光束成形和電子束成形TC18鈦合金氣孔附近和遠離氣孔的組織，發現氣孔類缺陷對周圍組織形態無明顯影響，無論是氣孔附近組織還是遠離氣孔的組織均為網籃組織。張鳳英[8]分析了松裝密度對3D打印鈦合金的氣孔密度的影響，如圖2所示，結果表明：隨著粉末松裝密度的增大，成形件內部氣孔率逐漸降低，因此，可以通過控制制粉工藝提高粉末松裝密度，來減少或消除氣孔。

1.2 球化缺陷

球化是3D打印構件中存在的一種內在缺陷，該缺陷主要的危害有兩個方面：一方面導致金屬件組織內部存在孔隙，大大降低成形件的力學性能并增加了表面粗糙度；另一方面，凝固后的金屬球影響下一層的鋪粉情況，且鋪粉輥又會與前一層所產生的金屬球相互摩擦，不但會破壞成形件的表面質量，而且當他們之間摩擦非常大時，鋪粉輥將無法前進，終止成形過程。

Sallica等[9]觀察了用激光選區熔化成形方法制備的成形件TC4合金的微觀組織，發現熔融金屬的表面能由于過高的激光功率而減小，從而產生了球化現象。陳洪宇[10]研究了影響球化效應的因素，他發現球化現象與激光能量密度η 有關，η 的增大會產生球化傾向，不斷前進的液相前沿出現金屬球化物，引起球化效應。

1.3 熔合不良

鈦合金3D打印過程中，如果工藝參數控制不當，就會使各熔覆層之間未形成致密冶金結合而產生熔合不良缺陷。薛蕾[11]通過實驗發現，3D打印TC4鈦合金出現的熔合不良缺陷（圖3）與熔池“吞噬”粉末的能力有關。溫度較低的固態粉末顆粒進入熔池后對熔池具有冷卻作用，減小了熔化深度，結果造成層間熔合不良或修復區與基體熔合不良。影響層間熔合不良的最大因素是搭接率[11]，搭接率太小，由于道與道的重疊區域能量密度低，搭接區熔合不良而出現凹陷，使得表面精度較差。調整修復工藝，例如提高激光功率，降低光束移動速度，層間熔合不良缺陷消失。

1.4 裂紋缺陷

由于3D打印技術是快速熔化快速凝固的過程，因此成形材料與基體之間必然會由于熱膨脹系數、溫度等的不同而產生很大的殘余應力，殘余應力的存在導致裂紋的產生與擴散，如圖4所示[12]。周旭[13]研究了近α鈦合金激光選區熔化成形開裂機理，發現由于空氣附著在鈦合金表面上，高溫下與鈦合金反應生成Ti3O、TiO[8]，這些化合物積聚在一起，形成裂紋源。他同時提出，在鈦合金激光選區熔化成形過程中先進行預熱，降低溫度梯度，同時在成形后保溫及緩冷，可釋放試樣中的殘余應力，從而有效抑制裂紋的產生。

2、熱處理工藝對3D打印鈦合金組織和性能的影響

由于3D打印成形得到的是快速熔化-凝固組織，而這一過程會在構件內部產生較大的殘余應力，因此必須通過熱處理來消除殘余應力，并且熱處理還可以進一步細化組織，從而改善構件的力學性能、消除成分偏析[14]。由于3D打印獲得的鈦合金組織與傳統鍛造、鑄造組織存在較大差異，經過傳統的熱處理工藝并不能使3D打印的鈦合金獲得令人滿意的力學性能。因此，優化3D打印鈦合金熱處理工藝獲得的更好力學性能尤為重要。

熱處理工藝參數對3D打印鈦合金的組織、性能存在較大影響。以最常見的α+β型TC4合金為例，3D打印TC4鈦合金后，其顯微組織主要由β相組成，該組織從高溫區冷卻后，保持原始晶界，晶內主要由針狀或片狀的魏氏組織和網籃組織組成，對其進行熱處理后，將得到不同的組織結構。孫小燕[15]研究了不同固溶與時效熱處理方式對3D打印制備的TC4合金組織及性能的影響。從圖5中三種不同熱處理狀態下的TC4合金金相組織可以看出，三種組織存在很大差異，分別為α固溶體和β固溶體的混合組織、網籃組織和雙態組織。其中，網籃組織的高溫蠕變性能以及強度、塑性均較好，而雙態組織的塑性低、強度較高。Chandramohan[16]發現循環熱處理工藝可以改變3D打印TC4鈦合金的尺寸、取向和相的數量，且晶粒取向在<1010>和<0001>之間可以獲得較好的伸長率和強度。由于3D打印的成形特性，其構件內部會產生較大 的殘余應力。為了消除殘余應力，馬瑞鑫[17]對3D打印TC4鈦合金做了正火處理，并分析了不同正火溫度對性能的影響，如表1所示。從表中可以看出，試樣的拉伸性能隨著正火溫度的升高逐漸增強；當正火條件為990℃/2 h空冷時，其室溫拉伸性能最優，其中拉伸強度、屈服強度及伸長率超過了鍛件的國標要求。

近β型鈦合金與α+β型鈦合金不同，由于在高溫時具有很好的穩定性，使得該型鈦合金即使在β相區加熱較長的時間，也不會出現明顯的晶粒長大。Zhu[18]比較了TC17合金在α+β兩相區和β相區退火的組織和性能，以及不同保溫時間對組織和性能的影響，結果發現將3D打印的TC17合金在840 ℃下退火，會使α相的晶界變得粗大，并且生成了次生α相，如果將溫度升高到900 ℃，所有的α相均轉化為β相，且合金成分分布均勻。另外，Liu[19]的研究顯示，用傳統鍛態材料常用的標準三級熱處理方式（圖6）并不能使3D打印制備的Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe獲得令人滿意的強度和延展性，這是因為β晶界處仍然存在連續的α相。而經過近β轉變溫度下三級熱處理（圖6）的試樣，其斷裂方式轉變為穿晶斷裂，強度和延展性得到了很大的提高。

Li[20]的研究表明，時效溫度和時效時間對3D打印的TA15合金的硬度有很大影響，如圖7所示。通過對比發現，在650～700℃之間進行等溫時效，且時效時間為120 min，可以提高零件的強度。

3、鈦合金3D打印技術在航空領域的研究進展

3.1 國外研究進展

2001年，AeroMet公司[21]采用 3D 打印技術為Boeing 公司艦載機試制了鈦合金次承力結構件，如圖8所示。該鑄件尺寸為900 mm×300 mm×150 mm，是航空翼根吊環，已于2002年裝機應用。2002-2005 年之間，AeroMet 公司[22]通過Lasform工藝系統制備了大型整體加強筋板鈦合金發動機框，其尺寸達2 400 mm×225 mm×100 mm。意大利AVIO公司利用電子束熔煉技術（EBM）制備出了鈦鋁合金發動機葉片，比傳統的鎳基合金輕50%。Sciaky公司聯合 Boeing和LockheedMartin公司開展了 EBF 研究，主要致力于大型航空金屬零件的制造，制備的鈦合金零件尺寸達5 800 mm×1 200 mm×1 200 mm[23]。目前，Sciaky公司成形鈦合金件的最大速度可達18 kg/h，力學性能滿足AMS4999標準要求。圖 9所示為Sciaky公司的大型航空鈦合金零件。2017年3月，空客公司在其客機上安裝了首個由3D 打印制造的主飛行控制液壓元件（圖10），并于 3月 30 日順利完成首次飛行測試。

3.2 國內研究進展

2007年，北京航空航天大學突破了飛機鈦合金大型、主承力結構件激光3D打印關鍵技術，研制出世界最大飛機鈦合金大型結構件激光快速成形工程化成套裝備，成形室尺寸為4 000 mm×3 000 mm×2 000 mm。

通過長期深入研究，北京航空航天大學研制了 TA15、TC4、TC11等大型、復雜、整體、主承力飛機鈦合金加強框及A-100超高強度鋼飛機起落架等關鍵構件，并實現了包括C919大型客機在內的多種型號飛機上的裝機應用，使我國成為世界上唯一突破飛機鈦合金大型整體主承力構件激光3D打印技術并實現裝機應用的國家[24]。圖11所示為北京航空航天大學研制的某型號飛機“眼鏡式”鈦合金大型、復雜、整體、主承力構件加強框。2012年，西北工業大學與中國商飛公司聯合利用3D打印機制造了大飛機C919的中央翼緣條，尺寸為3 000 mm×350 mm×450 mm，質量196 kg，并通過了中國商飛公司的性能測試[25]。西北工業大學還用3D 打印技術制備了軸承座后機匣、超音速飛行器方向舵、復雜內部結構零件等構件，圖12為航空發動機軸承后機匣。2016年，航天科工三院306所技術人員成功突破 TA15和 Ti2AlNb異種鈦合金材料梯度過渡復合技術，其采用激光3D打印試制出具有大溫度梯度一體化鈦合金結構進氣道試驗件，并順利通過了力熱聯合試驗。2018年，昆明理工大學利用激光選區熔融技術成功打印出了尺寸為250 mm×250 mm×257 mm的超大型復雜鈦合金零件，這是迄今為止使用激光選區熔融方法成形的最大單體鈦合金復雜零件。

4、展望

鈦合金3D打印技術改變了人們對傳統鈦合金加工方式的認識，但是作為一項新型的制造技術仍然存在很多問題，例如：3D打印技術對于大尺寸零件的制造效率依然偏低；在成形過程中存在氣孔、球化、熔合不良以及裂紋等缺陷；在快速加熱和快速冷卻過程中，零件內部產生較大的殘余應力。因此，鈦合金3D打印技術的發展需要科研院校和機構的共同努力，減少內部缺陷，使得鈦合金3D打印技術向著成本低、 穩定性好及產業化和多領域的方向發展。

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