前沿應用 | 激光增材制造鈦合金前景廣闊

來源：《中國激光界》
作者：陳靜  張國豪
金屬高性能增材制造與創(chuàng)新設(shè)計工業(yè)和
信息化部重點實驗室
西北工業(yè)大學材料學院

鈦是繼鋼、鋁、鎂之后正在蓬勃發(fā)展的21世紀新型金屬。鈦的密度僅為鋼的60%，其比強度遠高于其他金屬結(jié)構(gòu)材料，同時具有無毒、無磁性、耐高溫、抗腐蝕、生物相容性好等特點。鈦合金所具有的這些獨特特性，使其在航空航天、化工、電力、汽車、生物醫(yī)學等領(lǐng)域得到廣泛應用。另一方面，由于鈦合金性質(zhì)活潑，冷熱加工困難，原材料及制品往往價格高昂。鑒于此，擺脫了模具、工裝夾具束縛的自由成形3D打印技術(shù)為鈦合金帶來了廣闊而光明的發(fā)展前景。

激光增材制造迎來飛速發(fā)展
增材制造（也被稱為3D打�。┘夹g(shù)在過去三十年里得到了快速發(fā)展，基于分層切片的逐層堆積成形技術(shù)，增材制造能夠方便地實現(xiàn)從CAD模型到零部件實體的快速近凈成形。這一技術(shù)目前所使用的原材料（粉末，絲材，液體）和載能束（激光，電子束，電弧等）較多，其中以激光為載能束，以金屬粉末或絲材為原材料的激光增材制造技術(shù)被西方發(fā)達國家列為重點發(fā)展領(lǐng)域。

由于鈦合金本身具有導熱系數(shù)小、激光吸收率大、凝固相結(jié)構(gòu)簡單的特點，使得激光增材制造鈦合金具有易熱累積、熱應力和相變應力小等特點，因此激光增材制造技術(shù)首先在鈦合金中獲得了應用突破。當前兩種主流的激光增材制造鈦合金技術(shù)主要是激光立體成形（Laser Solid Forming, LSF）技術(shù)和選區(qū)激光熔化（Selected Laser Melting, SLM）技術(shù)，其成形示意圖如圖1。

圖1. 兩種典型的激光增材制造技術(shù)原理圖

a.激光立體成形技術(shù)

b.選區(qū)激光熔化技術(shù)

激光增材制造鈦合金組織性能特點

在激光增材制造過程中, 高能量密度的激光束在很短的時間內(nèi)作用于很小的區(qū)域，導致激光熔池及其熱影響區(qū)通常具有高的冷卻速率，通�？梢赃_到102～ 106 K/s左右，呈現(xiàn)典型的近快速凝固和固態(tài)相變特征。激光增材制造的優(yōu)異鑄態(tài)組織特征為成形構(gòu)件表現(xiàn)出極高的力學性能奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

然而，在激光增材制造過程中，熔池中固液界面前沿存在很大的正溫度梯度，凝固組織宏觀上表現(xiàn)為貫穿多個沉積層呈外延生長的粗大柱狀β晶。此外，逐層沉積的工藝特點使成形件每一點所經(jīng)歷的熱歷史復雜，晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)的析出表現(xiàn)出明顯的不均勻性。這種組織特征導致3D打印結(jié)構(gòu)件在承受載荷時表現(xiàn)出各向異性，損傷容限性能、疲勞性能等較鍛件低。

為了促進激光增材制造鈦合金在實際生產(chǎn)中的有序應用，美國賓夕法尼亞州立大學、俄亥俄州立大學、英國伯明翰大學和諾丁漢大學、比利時魯汶大學、德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所、澳大利亞皇家墨爾本理工大學和莫納什大學，以及中國西北工業(yè)大學、北京航空航天大學、南京航空航天大學、華中科技大學等針對激光增材制造鈦合金展開了系統(tǒng)深入的研究。

激光增材制造鈦合金成形件的宏觀組織由貫穿多個熔覆層呈外延生長的粗大柱狀胞晶組成, 胞晶間距達到百微米, 柱狀晶主軸垂直于激光束掃描方向或略向光束掃描方向傾斜。初生柱狀晶內(nèi)微觀組織是由極少量針狀、大量的魏氏板條及一定體積分數(shù)的板條間β相組成。這種組織在承受載荷時往往表現(xiàn)出較明顯的各向異性，沿沉積高度方向拉伸時其強度低而塑性高，垂直于沉積高度方向拉伸時則強度高而塑性低。

圖2. 激光增材制造鈦合金宏觀晶粒形態(tài)的主動調(diào)控

西北工業(yè)大學和北京航空航天大學深度挖掘激光增材制造工藝特點，通過增大液固兩相區(qū)形核位數(shù)，使液態(tài)熔池等軸晶區(qū)增大，從而獲得全等軸晶，實現(xiàn)激光增材制造全柱狀晶到全等軸晶的可控轉(zhuǎn)變。圖2所示為激光增材制造高強鈦合金宏觀晶粒形態(tài)的主動調(diào)控結(jié)果。隨后，進一步通過沉積過程中對工藝參數(shù)的調(diào)控以及后熱處理制度研究，基本實現(xiàn)了晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)的均勻化和等軸化調(diào)控。這些研究工作努力的方向是提升激光增材制造鈦合金的綜合力學性能。

激光增材制造鈦合金工程應用
鈦合金激光增材制造技術(shù)首先在航空航天領(lǐng)域獲得應用突破

中國在激光增材制造技術(shù)的研究方面與歐美發(fā)達國家同步，特別是在飛機大型復雜鈦合金構(gòu)件的激光增材制造研究和應用方面居于國際領(lǐng)先地位。

西北工業(yè)大學已建立了包括材料、工藝、裝備和應用技術(shù)在內(nèi)的完整的激光增材制造技術(shù)體系，針對大型鈦合金構(gòu)件的激光增材制造服務(wù)于中國商飛C919、歐洲Airbus A380大型客機和美國GE 公司航空發(fā)動機研制，實現(xiàn)了一次性整體激光增材制造國際最大尺寸（3100mm）鈦合金構(gòu)件，如圖3所示。2018年秋“西北工業(yè)大學-空中客車增材制造聯(lián)合實驗室”順利揭牌，這是Airbus公司首次與中國高校在增材制造領(lǐng)域設(shè)立聯(lián)合實驗室，旨在為增材制造技術(shù)進一步應用在飛機制造領(lǐng)域奠定堅實技術(shù)基礎(chǔ)。


北京航空航天大學突破飛機鈦合金等高性能難加工金屬大型整體主承力結(jié)構(gòu)件激光增材制造工藝、裝備及應用關(guān)鍵技術(shù)，并已經(jīng)在多個型號中獲得應用。南京航空航天大學和華中科技大學重點針對選區(qū)激光熔化裝備研發(fā)、專用材料設(shè)計和成形工藝及機理等方面開展了較為系統(tǒng)的研究。

圖3. 激光增材制造C919飛機中央翼緣條

激光增材制造邁進批量定制化時代
近幾年來，隨著3D打印技術(shù)的長足發(fā)展，其應用逐漸從傳統(tǒng)制造技術(shù)的替代者轉(zhuǎn)變?yōu)樾袠I(yè)發(fā)展的引領(lǐng)者和驅(qū)動者，迎來了批量化定制時代。質(zhì)量、成本、效率成為激光增材制造技術(shù)面向工程應用的新一輪聚焦熱點。例如美國AMERICA MAKES確定的增材制造目標為：完全按照設(shè)計要求實現(xiàn)一致的、可重復的產(chǎn)品組織和性能。

西北工業(yè)大學開展了多層沉積條件下激光-粉末流-熔池耦合的匹配生長穩(wěn)定特性研究，解決了同步送粉激光增材制造高效、高精度、長時穩(wěn)定沉積控制的國際性難題，顯著改善了尺寸精度和一致性，尺寸精度達到0.8mm/3000mm，尺寸精度離散度<5%，力學性能離散度<5%。

鉑力特公司為推進選區(qū)激光熔化技術(shù)應對批量化需求，研發(fā)多光源SLM設(shè)備，與Airbus公司簽訂“四激光器打印飛機產(chǎn)品研發(fā)”科研合作項目，將測試使用鉑力特自主研發(fā)的大尺寸激光選區(qū)熔覆設(shè)備BLT－S500打印飛機結(jié)構(gòu)件的能力。德國Flaunhofer激光技術(shù)研究所也在開發(fā)多光源SLM設(shè)備，以期顯著提升打印效率。

歐洲航天局提出了“以實現(xiàn)高技術(shù)金屬產(chǎn)品的高效生產(chǎn)與零浪費為目標的增材制造”( AMAZE) 項目，以實現(xiàn)熔點在3500 ℃以下的金屬粉體在24 h內(nèi)增材制造出高強度、輕質(zhì)、大型金屬結(jié)構(gòu)件，其沉積效率高達數(shù)kg/h。

德國EOS公司聯(lián)合Daimler AG（戴姆勒汽車）、Premium Aerotec（飛機零配件制造商）發(fā)起名為“NextGenAM”的新一代增材制造試驗性生產(chǎn)線項目，旨在探索金屬3D打印在批量生產(chǎn)中的自動化潛力。今年5月該項目成功完成，證明激光增材制造可以自動化的實現(xiàn)經(jīng)濟、高效的批量生產(chǎn)，全自動化使制造成本降低了50%。

結(jié)語
「鈦合金激光增材制造技術(shù)首先在航空航天領(lǐng)域獲得應用突破。當前，其應用逐漸從傳統(tǒng)制造技術(shù)的替代者轉(zhuǎn)變?yōu)樾袠I(yè)發(fā)展的引領(lǐng)者和驅(qū)動者，迎來了批量化定制時代。質(zhì)量、成本、效率成為激光增材制造技術(shù)面向工程應用的新一輪聚焦熱點�！�